Dioda - principiul de functionare

Dioda - principiul de functionare

Definitia diodei

Dioda este un dispozitiv electronic ce permite trecerea curentului doar intr-o singura directie. Cea mai folosita dioda in circuitele electronice este cea semiconductoare, desi exista si alte tehnologii.

Simbolul diodei

Simbolul diodelor semiconductoare este prezentat in urmatoarea figura; sagetile indica deplasarea reala a electronilor prin dioda.

Conectarea in circuit

La conectarea intr-un circuit simplu, format dintr-o baterie si o lampa, dioda fie va permite trecerea curentului spre lampa, fie o va bloca, in functie de polaritatea tensiunii aplicate.

Polarizarea directa

Atunci cand polaritatea bateriei este astfel incat este permisa trecerea electronilor prin dioda, spunem ca dioda este polarizata direct.

Polarizarea inversa

Invers, cand trecerea electronilor este blocata datorita inversarii bateriei, spunem ca dioda este polarizata invers.

Putem sa ne gandim la dioda ca la un intrerupator: "inchisa", cand este polarizata si "deschisa" cand este polarizata invers.

Dioda precum o supapa de inchidere (analogie)

Comportamentul diodei este analog comportamentului dispozitivului hidraulic denumit supapa de inchidere. O supapa de inchidere permite trecerea fluidului doar intr-o singura directie.

Supapele de inchidere sunt de fapt dispozitive controlate cu ajutorul presiunii: acestea se deschid si permit trecerea fluidului daca "polaritatea" presiunii pe suprafata lor este corecta. Daca "polaritatea" presiunii este de sens contrar, diferenta de presiune pe suprafata valvei va duce la inchiderea acesteia, iar curgerea fluidului nu mai este posibila. Acelasi lucru este valabil si in cazul diodelor, doar ca in acest caz presiunea este reprezentata de tensiune.

Explicatie

Sa reluam circuitul de mai sus, dar folosind de aceasta data un aparat de masura pentru determinarea caderilor de tensiune pe diferite componente ale circuitului.

O dioda polarizata direct conduce curent si prezinta o cadere mica de tensiune la bornele sale, astfel incat majoritatea tensiunii disponibile la bornele sursei de alimentare se regaseste pe lampa (sarcina). Daca polaritatea bateriei este inversata, dioda devine polarizata invers, si toata tensiunea disponibila la bornele sursei de alimentare se regaseste pe dioda, iar caderea de tensiune pe sarcina va fi egala cu zero. Putem considera dioda ca fiind un intrerupator "automat" (se inchide cand este polarizat direct si se deschide cand este polarizat invers). Singura diferenta notabila este caderea de tensiune mult mai mare la bornele diodei (0,7 V), fata de caderea de tensiune pe un intrerupator mecanic (cativa mV).

Aceasta cadere de tensiune de polarizare directa se datoreaza actiunii zonei de golire formata de jonctiunea P-N sub influenta tensiunii aplicate. Daca nu exista nicio tensiune aplicata la bornele diodei semiconductoare, existenta zonei de golire inguste in jurul jonctiunii P-N previne aparitia curentului (figura alaturata (a)). Purtatorii de sarcina aproape ca lipsesc in zona de golire, si prin urmare aceasta se comporta precum un izolator.

Daca dioda este polarizata invers, zona de golire se extinde si blocheaza si mai bine trecerea curentului prin dispozitiv.

Tensiunea de polarizare directa

Daca dioda este polarizata direct insa, zona de golire devine mult mai subtire (figura alaturata (a), polarizare partiala), iar rezistenta fata de curent scade. Pentru functionarea corecta a diodei insa, zona de golire trebuie sa dispara complet. Acest lucru se poate realiza prin aplicarea unei anumite tensiuni minime, denumita tensiune de polarizare directa (figura alaturata (b)), care pentru diodele de siliciu este in mod normal 0,7 V, iar pentru cele de germaniu de doar 0,3 V.

Caderea de tensiune la bornele diodei ramane aproximativ constanta pentru o gama larga de curenti prin dioda. Pentru analiza circuitelor electronice simplificate, putem considera caderea de tensiune pe dioda ca fiind constanta (nu depinde de valoarea curentului prin dioda).

Ecuatia diodei

unde,
I_D = curentul diodei (A)
I_S = curentul de saturatie (aproximativ 10^-12 A)
e = constanta lui Euler (2,718)
q = sarcina electronului (1,6 ∙10^-19 C)
V_D = tensiunea aplicata la bornele diodei (V)
N = factor de idealitate sau coeficient de emisie (intre 1 si 2)
k = constanta lui Boltzmann (1,38∙10^-23)
T = temperatura jonctiunii (K)

Ecuatia exacta ce descrie curentul printr-o dioda poarta numele de ecuatia diodei.

Termenul q/KT descrie tensiunea produsa in jonctiunea P-N datorita actiunii temperaturii, si poarta numele de tensiune termica, sau V_t. La temperatura camerei, aceasta temperatura este de aproximativ 26 mV.

Ecuatia simplificata a diodei

unde,
I_D = curentul diodei (A)
I_S = curentul de saturatie (aproximativ 10^-12 A)
e = constanta lui euler (2,718)
V_D = tensiunea aplicata la bornele diodei (V)

Cunoscand acest fapt, si considerand factorul de idealitate ca fiind 1, putem simplifica ecuatia de mai sus si sa ajungem la urmatoarea relatie.

Aceste ecuatii nu trebuie neaparat luata in considerare la analiza circuitelor simple cu diode, ci este mentionata aici doar pentru a intelege faptul ca exista o variatie a caderii de tensiune la bornele diodei pentru diferite valori ale curentilor prin dioda. Aceasta variatie este foarte mica, aceasta fiind si motivul pentru care se considera ca, la bornele diodei, caderea de tensiune ramane constanta la 0,7 (siliciu) sau 0,3 V (germaniu). Totusi, unele circuite folosesc in mod intentionat relatia curent/tensiune a jonctiunii P-N, si ele pot fi intelese doar in contextul acestei ecuatii. De asemenea, din moment ce temperatura este un factor in ecuatia diodei, o jonctiune P-N polarizata direct poate fi folosita ca un dispozitiv de determinare a temperaturii, iar aceasta utilizarea poate fi inteleasa doar daca intelegem in primul rand ecuatia diodei de mai sus.

Curentul invers

Desi o dioda polarizata invers, nu permite curentului sa treaca prin ea datorita extinderii zonei de golire, in realitate exista un mic curent de scurgere ce trece prin dioda chiar si la polarizarea inversa, iar acest curent poarta numele de curent invers. Curentul invers poate fi insa ignorat pentru majoritatea aplicatiilor.

Tensiunea de strapungere

Dioda nu poate suporta o tensiune de polarizare inversa infinit de mare. Daca aceasta tensiune devine prea mare, dioda va fi distrusa datorita unei conditii denumita strapungere. Aceasta tensiune inversa maxima poarta numele de tensiune de strapungere (inversa), notata cu V_s. Tensiunea de strapungerea creste odata cu cresterea temperaturii si scade cu scaderea temperaturii - exact invers fata de tensiunea de polarizare directa.

Variatia curent-tensiune a diodei

Alaturat este prezentat graficul curent-tensiune al diodei.