Cursuri Circuite Integrate Digitale

1. DIODE

Jonctiunea PN este componenta electronică activă cu rol fundamental în functionarea

dispozitivelor semiconductoare. O diodă constituită dintr-o jonctiune PN, a cărei functionare se

bazează pe efectul redresor, este numită diodă redresoare, spre deosebire de acelea care utilizează

un efect special (Zener, avalansă, tunel etc.), denumite diode speciale.

1.1. Diode redresoare

Diodele redresoare (rectifier diodes) sunt dispozitive electronice semiconductoare din siliciu,

utilizate în circuitele de conversie c.a.-c.c., de limitare a amplitudinii tensiunilor etc.

Dioda redresoare este un dipol constituit dintr-o jonctiune PN abruptă, legată la doi electrozi

externi, numiti anod (A) si catod (K). În fig. 1.1.1, sunt reprezentate simbolul grafic si structura

schematică a unei diode redresoare.

Fig. 1.1.1. Simbolul grafic si structura schematică a unei diode redresoare

În functie de polaritatea tensiunii uAK aplicate la bornele diodei, componenta se poate găsi

în una din cele două stări si anume :

- în stare de conductie, atunci când dioda este polarizată în sens direct ( uAK〉0 );

- în stare de blocare, atunci când dioda este polarizată în sens invers ( uAK 〈0 ).

În stare de conductie, dioda este caracterizată printr-un curent direct important, care circulă de la anod

spre catod. Dimpotrivă, o diodă blocată este parcursă numai de un curent rezidual, de intensitate foarte

scăzută, care circulă de la catod spre anod. Dioda redresoare se comportă ca o supapă

semiconductoare, care permite trecerea curentului într-un singur sens, de la anod spre catod (sensul

indicat de săgeata din simbolul grafic).

1.1.1. Caracteristica statică

Comportarea diodei în cele două stări poate fi descrisă printr-o singură relatie functională, care

leagă curentul prin diodă de tensiunea aplicată la bornele componentei, de forma

Relatia (1.1.1), care evidentiază principiul de functionare al unei diode redresoare, este denumită

ecuatia caracteristică a diodei teoretice.

Curentul IS este curentul invers de saturatie al diodei. O diodă ideală în stare de blocare este

caracterizată prin curent rezidual nul. În mod practic, curentul invers de saturatie al unei diode

redresoare este neglijabil fată de curentii directi care apar în circuitele de utilizare. Pentru diodele

redresoare din Si, curentul IS este de ordinul picoamperilor-nanoamperilor, în cazul componentelor

de mică putere, si poate atinge câtiva miliamperi, în cazul componentelor de putere mare.

În general, diodele reale nu respectă ecuatia caracteristică a diodei teoretice. Ecuatia

caracteristică a unei diode reale este de forma

A K

P N

stratul

anodului

stratul

catodului

Întrucât factorul empiric n de corectie are valori între 1 si 2, din motive de simplificare a scrierii, se

va folosi modelul diodei teoretice (1.1.1), pentru toate diodele.

În regim static, comportarea diodei redresoare este descrisă de ecuatia caracteristică

în care curentul si tensiunea la borne sunt invariabile în timp.

Caracteristica statică a diodei teoretice se obtine prin reprezentarea grafică a relatiei (1.1.3),

pentru o temperatură constantă a mediului ambiant. Comportarea diodei în stare de conductie

(UAK 〉4UT ) poate fi descrisă cu ajutorul modelului simplificat,

iar în cazul unei polarizări inverse, cu UKA〉4UT , dioda în stare de blocare poate fi descrisă prin

relatia

IA ≅ −IS. (1.1.5)

Caracteristica statică a unei diode reale se abate de la aceea a diodei teoretice. La

polarizarea directă, diferentele sunt evidentiate în fig. 1.1.2. Prin aplicarea unor tensiuni inverse

mari, curentul invers creste brusc si abrupt, datorită multiplicării în avalansă a purtătorilor de

sarcină. Tensiunea la care se produce acest fenomen se numeste tensiune de avalansă sau de

străpungere si se notează cu VRA (Reverse Avalanche Voltage) sau VBR (Breakdown Voltage).

Atunci când se produce efectul de avalansă, curentul care parcurge dioda este

IA = −M⋅ IS , (1.1.6)

Această străpungere electrică este distructivă pentru toate diodele redresoare reale, motiv pentru

care tensiunea inversă permisă este limitată la o valoare inferioară celei de străpungere.

Fig. 1.1.2. Caracteristica statică a diodei reale

Caracteristica statică a diodei este foarte sensibilă la temperatură, ca urmare a dependentei

puternice a curentului rezidual IS si a tensiunii termice UT de temperatura jonctiunii. Pentru

diodele din Si, cresterea relativă a curentului IS este de circa 7%/oC. În practică, se admite că IS îsi

dublează valoarea, la fiecare crestere a temperaturii cu 10oC. Tensiunea termică creste liniar cu

temperatura. La cresterea temperaturii, se constată o deplasare a caracteristicii statice a diodei ca în

fig. 1.1.3a:

- ramura de conductie se deplasează în zona tensiunilor directe mai mici;

- ramura de blocare se deplasează în zona curentilor reziduali mai mari.