Diode semiconductoare

Diode semiconductoare

Dispozitivele semiconductoare au in constructia lor regiuni ale retelei monocristaline cu diverse impurificari atat ca marime a concentratiei cat si ca tip de impuritate (regiune de tip donor - n, regiune tip acceptor - p). Cele mai utilizate materiale semiconductoare folosite in constructia dispozitivelor semiconductoare de circuit sunt siliciul si germaniul.

Jonctiunea pn are o importanta esentiala in functionarea unei clase mari de dispozitive electronice semiconductoare, ele continand una sau mai multe jonctiuni.

Dioda semiconductoare, al carei simbol este reprezentat in Fig. 1.1.1, se caracterizeaza prin conductie unidirectionala:

- in cazul polarizarii in sens direct permite trecerea unui curent mare (curent direct),

- in cazul polarizarii in sens invers permite trecerea unui curent mic (curent invers).

Regiunea p a jonctiunii constituie anodul diodei, iar regiunea n, catodul.

Functionarea diodei este descrisa prin intermediul unui grafic denumit caracteristica statica de functionare (Fig. 1.1.2). Aceasta furnizeaza informatii despre modul in care curentul prin dioda variaza in functie de tensiunea care se aplica intre terminalele acesteia.

Prin notiunea de polarizare a unei diode se intelege stabilirea tipului de conductie in curent continuu. Astfel, daca dioda functioneaza in curent continuu in conductie directa, se spune ca aceasta este polarizata direct. Analog, daca dioda functioneaza in curent continuu in conductie inversa, se spune ca aceasta este polarizata invers.

Functionarea in curent continuu a unei diode este complet caracterizata de catre valorea curentului continuu care trece prin aceasta si de tensiunea continua intre terminalele diodei.

Punctul Static de Functionare furnizeaza intotdeauna informatii despre regimul in care functioneaza dioda. Aceasta observatie este valabila si pentru alte tipuri de dispozitive semiconductoare.

Polarizarea diodei este realizata prin intermediul unui circuit special, numit circuit de polarizare.

Principalii parametrii ai diodei semiconductoare sunt:

Tensiunea de deschidere, (U_D) - la diodele care sunt construite din germaniu U_D este cuprinsa intre 0,2V-0,4V, iar cele din siliciu intre 0,4V-0,8V;

Curentul maxim direct, (I_Am);

Tensiunea maxima inversa, (U_BR).

Diodele redresoare sunt utilizate pentru redresarea curentului electric alternativ. Frecventa semnalelor redresate este, de regula, frecventa industriala (50/60Hz).

Se pot construi cu germaniu, cu siliciu, iar la puteri mici, cu seleniu. Cele mai raspandite sunt cele cu siliciu.

Parametrii acestor diode sunt:

Tensiunea inversa repetitiva maxim admisa, (U_RM);

Curentul mediu redresat (curentul mediu la care poate fi solicitata dioda), I₀;

Caderea de tensiune in regim de polarizare directa la un curent dat, (U_FM);

Rezistenta termica jonctiune capsula, (R_thj-c), sau jonctiune ambiant, (R_thj-a).

Diodele varicap (varactoare), cu simbolul din Fig. 1.1.3, prezinta capacitati diferite in functie de tensiunea de polarizare. Denumirea diodei provine de la VARIable CAPacitor.

Aceste diode utilizeaza proprietatea jonctiunii p-n de a se comporta ca o capacitate ce depinde de tensiunea continua de polarizare inversa (aceasta este capacitatea de bariera).

Posibilitatea de a varia o capacitate intr-un circuit prin varierea unei surse de polarizare este necesara in circuitele de schimbare a frecventei, circuitele de reglaj automat al frecventei, precum si modulatia frecventei.

Diodele varicap au capacitati de ordinul pF sau zecilor de pF si se construiesc cu siliciu pentru a avea o rezistenta interna mai mare in polarizarea inversa. In acest fel ele pot fi asimilate cu un condensator cu pierderi neglijabile.

Diodele Zener (diode stabilizatoare) cu simbolul din Fig. 1.1.4, sunt diode de constructie speciala, care nu se distrug in cazul in care se strapung, ci functioneaza chiar in regiunea de strapungere si se utilizeaza ca stabilizatoare de tensiune.

Functionarea acestora se bazeaza pe proprietatea jonctiunii p-n de a avea in regiunea de strapungere, o tensiune la borne constanta intr-o gama larga de variatie a curentului invers, cum se poate observa in caracteristica curent - tensiune (Fig. 1.1.5).

Fig. 1.1.5 Caracteristica curent - tensiune a diodei Zener

Dioda functioneaza intr-un regim de strapungere controlat, in care atat curentul cat si puterea disipata sunt mentinute la valori pe care dioda le poate suporta in regim permanent, fara sa se distruga.

Dioda Zener este construita cu siliciu, caracteristica de functionare a acesteia modificandu-se la variatia temperaturii de lucru.

Cand este polarizata direct (+ pe anod si - pe catod) functioneaza ca o dioda cu jonctiune si cand este polarizata invers (- pe anod si + pe catod) functioneaza in regim de strapungere.

Parametrii principali ai diodelor Zener sunt:

Tensinea nominala de stabilizare, (U_Z);

Rezistenta dinamica, (R_zd);

Curentul maxim admis in polarizare inversa, (I_Zmax);

Puterea de disipatie a diodei, (P_d);

Coeficientul de variatie a tensiunii stabilizate cu temperatura

Diodele tunel, cu simbolul din Fig. 1.1.6, sunt un tip de diode semiconductoare capabile de operare la viteze foarte mari.

Fig. 1.1.6 Simbolul diodei tunel

La baza functionarii diodelor tunel sta asa - numitul efect tunel.

Diodele tunel au concentratii mari de impuritati atat in zona p cat si in zona n (jonctiune de tip p⁺n⁺). De aceea, regiunea de trecere este foarte ingusta in raport cu diodele obisnuite.

La polarizare directa caracteristica curent - tensiune (Fig. 1.1.7) are forma literei N si poseda o zona p-v de rezistenta negativa de valoarea zecilor de ohmi. La polarizare inversa dioda tunel nu are regim de saturatie, ci are o rezistenta interna foarte mica. De aceea o inversare a tensiunii pe dioda tunel poate duce la distrugerea acesteia. Diodele tunel au o viteza de comutare foarte mare.

Fig. 1.1.7 Caracteristica curent - tensiune a diodei tunel

Pentru o buna functionare este de dorit ca raportul dintre curentul maxim si curentul minim sa fie cat mai mare. Daca se foloseste ca material semiconductor, arseniura de galiu acest raport depaseste valoare 15.

Dioda tunel lucreaza la puteri mici de ordinul watilor. Caracteristica diodei nu depinde

de variatiile de temperatura de aceea ea poate lucra la frecvente foarte inalte de ordinul 10⁴ MHz.

Parametrii diodei tunel sunt:

Punctul de vale corespunzator curentului I_v si tensiunii U_v;

Punctul de varf corespunzator curentului I_p si tensiunii U_p.

Aceasta dioda este folosita la realizarea urmatoarelor circuite:

amplificatoare de frecvente foarte inalte;

oscilatoare de frecvente foarte inalte;

circuite basculante monostabile, bistabile si astabile 

Dezavantajul diodei tunel este ca are numai doua borne si deci nu se poate face separarea intre circuitul de intrare si cel de iesire.

Activitatea de invatare 1.1. Masurarea rezistentelor diodei semiconductoare

Competenta: Identifica componentele electronice analogice

Verifica functionalitatea componentelor electronice analogice

Obiectivul/obiective vizate:

Dupa parcurgerea acestei activitati vei fi capabil sa:

colectezi datele numerice corespunzatoare activitatii planificate;

selectezi datele obtinute din masuratori sau alte surse;

inregistrezi datele;

identifici terminalele diodelor;

testezi starea diodelor.

Durata: 20 min.

Tipul activitatii: experimentul

Sugestii: elevii se pot organiza in grupe de 3 - 4 elevi

Sarcina de lucru:

Determinati cu ajutorul Ω-metrului, rezistenta in curent continuu la polarizare directa si inversa a diodelor semiconductoare puse la dispozitie. Se vor efectua masuratorile pe fiecare din cele patru game de lucru ale aparatului de masura: x1, x10, x100, x1K.

Mod de lucru:

Cu ajutorul unui ohmmetru sau a unui multimetrului MAVO-35 se masoara rezistenta unor diode cu Ge si Si in conductie directa si inversa, pe toate gamele ohmmetrului, rezultatele notandu-se in Tab.1.

Tab. 1. Datele experimentale pentru masurarea rezistentei directe si inverse unor diode cu Ge si Si.

Inainte de utilizarea ohmmetrului trebuie realizata "reglarea zeroului" (aducerea acului indicator la zero). Acest reglaj se realizeaza prin scurtcircuitarea bornelor aparatului de masura si modificarea rezistentei potentiometrului R_p. Acest reglaj permite utilizarea aceleiasi scale a ohmmetrului pentru mai multe game de rezistente si trebuie efectuat la fiecare trecere de la o gama la alta.

In cazul utilizarii unui multimetru digital, in functionarea sa ca ohmmetru, semnele bornelor sunt inversate.

Se observa ca valorile obtinute pentru Rdir si Rinv difera de la o gama de masura la alta, fapt datorat modificarii rezistentei interne a aparatului de la o scala la alta.

Comparati R_directa si R_inversa , in functie de starea diodei si completati Tab. 2

Tab. 2. Testarea diodelor

Daca ati realizat cerinta, treceti la activitatea urmatoare, in caz contrar consultati fisa de documentare 1.1 si refaceti activitatea.