1
Cuprins
ARGUMENT ....................................................................................................................... pag. 2 CAP. I. NOŢIUNI GENERALE DESPRE DIODE.............................................................. pag. 5 CAP.II. CLASIFICAREA DIODELOR................................................................................. pag. 14 CAP.III. TIPURI DE DIODE................................................................................................... pag. 15 CAP.IV. REDRESAREA, CEA MAI RĂSPÂNDITĂ APLICAŢIE A DIODELOR .......... pag. 20 BIBLIOGRAFIE................................................................................................................... pag. 28 ANEXA 1.............................................................................................................................. pag. 29 ANEXA 2.............................................................................................................................. pag. 30
1
2
ARGUMENT
Lumea modernă, dominată de efectele ultimelor descoperiri tehnico-ştiinţifice, de mobilitatea profesiunilor şi a forţei de muncă, solicită astăzi, mai mult ca oricând, formarea personalităţilor rapid adaptabile la noile schimbări, ca posibile să caute soluţii originale la problemele din ce în ce mai complexe şi mai neprevăzute. Evoluţia rapidă a civilizaţiei impune şcolii contemporane pregătirea generaţiilor tinere astfel încât acestea să se poată integra, fără dificultăţi, în societatea informaţională de mâine. Automatizarea şi cibernetizarea implică tot mai multe procesele intelectuale în prelucrarea şi interpretarea datelor oferite de computere intensificând domeniile concepţiei, comenzii, controlului, şi organizării muncii. Tehnologia condiţionează cercetarea ştiinţifică modernă, devenind totodată o componentă indispensabilă a culturii generale. Educaţiei îi revine, mai mult ca oricând, un rol decisiv în dezvoltarea socială şi transformările calitative ale vieţii. Ca urmare, programul de instruire în şcoală trebuie să fie conceput din perspectiva pedagogiei prospective, tinerii fiind învăţaţi să descopere noi instrumente ale cunoaşterii, să pună noi probleme, să găsească noi soluţii. Orizontul de cultură generală nu mai este complet fără modulul tehnic şi cel tehnologic, care permit absolvenţilor nu numai policalificări rapide ci şi înţelegerea mai profundă a sensului marilor invenţii şi descoperiri, stimulându-le curiozitatea ştiinţifică, spiritul de cercetare şi descoperire. În acest context, electronica este disciplina de învăţământ, căreia îi revine o responsabilitate deosebită. Extraordinara sa dezvoltare, pătrunderea în toate domeniile de activitate ştiinţifico- tehnice, industriale şi economico-sociale impun pregătirea unei forţe de muncă, atât la nivel mediu cât şi la nivel superior, în rezonanţă cu cerinţele actuale ale societăţii. Istoria electronicii Pe măsura ce aplicaţiile electronicii se diversifică, încercarea de a-i da o definiţie şi de a-i marca teritoriul devine din ce în ce mai greu de realizat. S-ar putea spune, totuşi, că electronica este ansamblul tehnicilor şi ştiintelor care utilizează proprietăţile electronilor şi, în general, anumite particule pentru a primi, trata şi transmite date. Istoria acestei discipline este, cu alte cuvinte, indisolubil legată de cea a electronului. Tubul lui Crookes În 1878, pornind de la lucrările germanului Wilhelm Hittorf, William Crookes a efectuat un experiment în care a utilizat, la început, un tub din sticla în care a creat un vid gazos; în aceasta incintă a fixat doua plăci metalice (electrozi) între care a stabilit o diferenţă de potenţial electric. El a constatat în urma acestui experiment că între doi electrozi circulă un curent electric. În timpul experimentului, Crookes a introdus, la un moment dat, un factor nou si decisiv, care i-a permis să desprindă o concluzie importantă Plasând tubul între polii unui magnet foarte puternic, el a constatat ca raza este deviata de la direcţia sa primară. Aceasta sensibilitate la acţiunea câmpului magnetic i-a permis fizicianului englez să probeze natura crepusculară a razei studiate. În principiu, aceasta rază, numită catodică, deoarece iese tot timpul din elecronul negativ (catod), este un flux de corpusculi purtători de electricitate negativă, care au fost denumiti "electroni". Efectul Edison Cercetările pe această temă au fost preluate şi de alţi fizicieni, unul dintre ei fiind americanul 2
3 Thomas Edison, care, în 1879, a realizat prima lampă electrică dotată cu filament de carbon. Invenţia sa prezenta, însă, inconvenientul că se înegrea pe măsura ce era folosită. În 1883, atunci când a încercat să afle care este sursa acestei probleme, Edison a remarcat că, în anumite condiţii de presiune şi voltaj, în interiorul lămpii apare o lumină de culoare albastră. El a desprins concluzia ca problema se datorează curentului care circulă între cele două fire de alimentare a filamentului de carbon. Acest fenomen, denumit apoi "efectul Edison", nu a primit o explicatie clară decât la începutul secolului al XX-lea, graţie lucrărilor lui Thomson şi a unuia dintre discipolii săi, Owen Richardson. Primul a demonstrat ca lumina colorată observată în lampă conţine aer rarefiat sau un gaz, care apare la trecerea electronilor de la catod la anod (electrodul pozitiv). Richardson a aplicat rezultate obtinute de profesorul său la efectul Edison şi a stabilit că electronii sunt emişi de filamentul incandescent. În 1903, el a dezvoltat o teorie pe baza acestui fenomen fizic până atunci necunoscut, pe care a denumit-o "emisia termoionică a electronilor de către metale". Descoperirea electronului În 1897, savantul britanic Joseph Thomson a reuşit, după mai multi ani de studiu, să furnizeze dovada ca, în condiţii speciale, atomul emite particule mult mai mici decât el (pâna la acea dată atomul a fost considerat cea mai mica parte a materiei). Înainte de a descrie cu exactitate aceste particule, Thomson le-a determinat anumite caracteristici fizice şi a folosit pentru prima dată termenul de "electron" pentru a le identifica. Pornind de la aceste remarcabile rezultate, fizicienii au elaborat o teorie, numită electronică, a materiei. Conform acesteia, atomii sunt constituiţi din două tipuri de particule: electronul (sarcina electrică negativă) şi protonul (încărcat pozitiv). Au urmat apoi mai multe încercari de reprezentare a atomului, dar singurul care a reuşit să-şi impună teoria a fost, ceva mai târziu insă, Niels Bohr. Dioda lui Fleming În 1904, cercetările suscitate de tehnica telefoniei fără fir au permis realizarea primului dispozitiv electronic: dioda. În acea epoca, receptarea undelor, purtatoare de mesaje sonore, necesită o operaţiune delicată analogă filtrării. Provenite de la statia receptoare, aceste unde prezentau un curent electric alternativ care nu avea nici o utilitate practică; înainte de a asigura funcţionarea corecta a receptorului era necesară, deci, transformarea sa în curent continuu, ceea ce înseamnă ca trecerea curentului alternativ nu trebuia permisă decât într-un sens. Ideea de a utiliza efectul Edison pentru redresarea curentului alternativ i-a venit britanicului John Fleming. El a plasat doua plăci metalice în interiorul unei lămpii vide de gaz: una (catodul) era negativă din punct de vedere electric în raport cu cealaltă (anodul). Încălzit, cu ajutorul unei baterii anexe, catodul a constituit o sursă de electroni, care, purtători ai unei sarcini electrice negative, erau atraşi de anod, unde erau strânsi şi unde deplasarea lor producea un curent electric continuu. Migrarea lor nu avea loc decât de la catod spre anod. În aceste condiţii, lampa nu funcţiona decât atunci când tensiunea din anod era superioară celei din catod, comportându-se ca un redresor vis-a-vis de curentul alternativ: îl lasă să treaca atunci când potenţialul era pozitiv şi îl oprea atunci când era negativ. Acest tip de lampă a căpătat denumirea de "dioda". Trioda În anul 1907, americanul Lee De Forest şi-a îndreptat atenţia asupra unui detector de semnale radiotelegrafice ceva mai perfecţionat decât dioda. În cadrul experimentelor sale, americanul a avut ideea de introduce între cele două plăci de metal un al treilea electrod, în forma de grilă, şi a constatat că poate acţiona asupra curentului ce traversează dioda variind tensiunea aplicată aceste grile. Aceasta metoda de control a curentului cu ajutorul unei grile s-a dovedit mai eficace şi mai sensibilă decât căldura variabilă impusa de Fleming catodului. Invenţia lui De Forest, un element fundamental al electronicii moderne, a căpătat denumirea de "triodă". Modelul atomic al lui Bohr Conform danezului Bohr, atomul se compune dintr-un nucleu central, în jurul căruia se deplasează electronii, animaţi de o mişcare comparabilă cu cea a planetelor în jurul Soarelui. Nucleul conţine protoni şi, cum a demonstrat britanicul James Chadwick în 1932, neutroni (particule neutre din punct de vedere electric). Bohr a insistat foarte mult asupra rolului extrem de important al electronilor cei mai externi, care determină reactivitatea chimică a unui element. Fiind relativ departe de nucleu, aceşti corpusculi negativi sunt supuşi unor forte electrostatice slabe, putând, în aceste cazuri, să se sustragă 3
4 acestei atracţii şi să se deplaseze liber între atomi. Circulaţia lor, ce constituie curentul electric, stă la bază a numeroase fenomene fizice. Realizări contemporane În 1948, cercetătorii americani John Barden, Walter Bratain şi William Shokley au pus la punct un dispozitiv care a revoluţionat electronica şi care a substituit tuburile cu vid în foarte multe domenii. Este vorba despre tranzistor, care prezintă numeroase avantaje în raport cu tuburile clasice: lipsa curentului pentru încălzire, o slabă tensiune de alimentare, dimensiuni reduse. Mai aproape de noi au fost inventate circuitele integrate, care au permis o diminuare drastică a numărului componentelor electronice dintr-un anumit aparat. Pâna la descoperirea integratelor, un circuit electronic era format din elemente distincte, fabricate separat, şi apoi conectate prin fire imprimate pe un suport izolant. Un circuit integrat, în schimb, era realizat plecându-se de la un bloc monolitic de semiconductor (germaniu, siliciu etc), în care se puneau toate elementele de bază ale circuitului electronic printr-o simplă adiţie de elemente care jucau rolul impurităţilor. Acest fapt permitea o extraordinară minimalizare a dimensiunilor materialului folosit. Cu sigurantă, descoperirile din domeniul electronicii nu se vor opri la acest stadiu. Fapt care nu poate decât să ne bucure, în condiţiile în care aplicaţiile lor practice contribuie la îmbunătăţirea vieţii, în general. În lucrarea de faţă, doresc să prezint dioda semiconductoare.
4
5
CAP.I. NOŢIUNI GENERALE DESPRE DIODE
Definiţia diodei Dioda este un dispozitiv electronic ce permite trecerea curentului doar într-o singură direcţie. Cea mai folosită diodă în circuitele electronice este cea semiconductoare, deşi există şi alte tehnologii. Simbolul diodei Simbolul diodelor semiconductoare este prezentat în următoarea figură; săgeţile indică deplasarea reală a electronilor prin diodă.
Fig. 1. Simbolul diodei Conectarea în circuit
Fig. 2. Conectarea diodei în circuitul electric simplu
La conectarea într-un circuit simplu, format dintr-o baterie şi o lampă, dioda fie va permite trecerea curentului spre lampă, fie o va bloca, în funcţie de polaritatea tensiunii aplicate. Polarizarea directă Atunci când polaritatea bateriei este astfel încât este permisă trecerea electronilor prin diodă, spunem că dioda este polarizată direct. Polarizarea inversă Invers, când trecerea electronilor este blocată datorită inversării bateriei, spunem că dioda este polarizată invers. 5
6 Putem să ne gândim la diodă, ca la un întrerupător: „închisă”, când este polarizată şi „deschisă” când este polarizată invers. Dioda precum o supapă de închidere (analogie)
Fig. 3. Dioda ca o supapă de închidere
Comportamentul diodei este analog comportamentului dispozitivului hidraulic denumit supapă de închidere. O supapă de închidere permite trecerea fluidului doar într-o singură direcţie. Supapele de închidere sunt de fapt dispozitive controlate cu ajutorul presiunii: acestea se deschid şi permit trecerea fluidului dacă „polaritatea” presiunii pe suprafaţă lor este corectă. Dacă „polaritatea” presiunii este de sens contrar, diferenţa de presiune pe suprafaţa valvei va duce la închiderea acesteia, iar curgerea fluidului nu mai este posibilă. Acelaşi lucru este valabil şi în cazul diodelor, doar ca în acest caz presiunea este reprezentată de tensiune. Explicaţie
Fig. 4. Măsurarea tensiunii din circuit
Să reluăm circuitul de mai sus, dar folosind de această dată un aparat de măsură pentru determinarea căderilor de tensiune pe diferite componente ale circuitului. 6
7 O diodă polarizată direct conduce curent şi prezintă o cădere mică de tensiune la bornele sale, astfel încât majoritatea tensiunii disponibile la bornele sursei de alimentare se regăseşte pe lampă (sarcină). Dacă polaritatea bateriei este inversată, dioda devine polarizată invers, şi toată tensiunea disponibilă la bornele sursei de alimentare se regăseşte pe diodă, iar căderea de tensiune pe sarcină va fi egală cu zero. Putem considera dioda ca fiind un întrerupător „automat” (se închide când este polarizat direct şi se deschide când este polarizat invers). Singura diferenţă notabilă este căderea de tensiune mult mai mare la bornele diodei (0,7 V), faţa de căderea de tensiune pe un întrerupător mecanic (câţiva mV). Dioda semiconductoare este un dispozitiv electronic constituit dintr-o joncţiune pn prevăzută cu contacte metalice la regiunile p şi n şi introdusă într-o capsulă din sticlă, metal, ceramică sau plastic.
Fig. 5. Simbolul diodei Regiunea p a joncţiunii constituie anodul diodei, iar joncţiunea n , catodul. Dioda semiconductoare se caracterizează prin conductivitate unidirecţională, ca şi dioda cu vid: - în cazul polarizării în sens direct permite trecerea unui curent mare (curent direct), - în cazul polarizării în sens invers permite trecerea unui curent mic (curent invers).
Această cădere de tensiune de polarizare directă se datorează acţiunii zonei de golire formată de joncţiunea P-N sub influenţa tensiunii aplicate. Dacă nu există nicio tensiune aplicată la bornele diodei semiconductoare, existenţa zonei de golire înguste în jurul joncţiunii P-N previne apariţia curentului (figura alăturată (a)). Purtătorii de sarcină aproape că lipsesc în zona de golire, şi prin urmare aceasta se comportă precum un izolator.
7
8
Fig. 6. Polarizarea inversă a diodei Dacă dioda este polarizată invers, zona de golire se extinde şi blochează şi mai bine trecerea curentului prin dispozitiv. Tensiunea de polarizare directă
Fig. 7. Polarizarea directă a diodei
Dacă dioda este polarizată direct însă, zona de golire devine mult mai subţire (figura alăturată (a), polarizare parţială), iar rezistenţa faţă de curent scade. Pentru funcţionarea corectă a diodei însă, zona de golire trebuie să dispară complet. Acest lucru se poate realiza prin aplicarea unei anumite tensiuni minime, denumită tensiune de polarizare directă (figura alăturată (b)), care pentru diodele de siliciu este în mod normal 0,7 V, iar pentru cele de germaniu de doar 0,3 V. Căderea de tensiune la bornele diodei rămâne aproximativ constantă pentru o gamă largă de curenţi prin diodă. Pentru analiza circuitelor electronice simplificate, putem considera căderea de tensiune pe diodă ca fiind constantă (nu depinde de valoarea curentului prin diodă). Ecuaţia diodei
8
9 unde, ID = curentul diodei (A) IS = curentul de saturaţie (aproximativ 10-12 A) e = constanta lui Euler (2,718) q = sarcina electronului (1,6 ∙10-19 C) VD = tensiunea aplicată la bornele diodei (V) N = factor de idealitate sau coeficient de emisie (între 1 şi 2) k = constanta lui Boltzmann (1,38∙10-23) T = temperatura joncţiunii (K) Ecuaţia exactă ce descrie curentul printr-o diodă poartă numele de ecuaţia diodei. Termenul q/KT descrie tensiunea produsă în joncţiunea P-N datorită acţiunii temperaturii, şi poartă numele de tensiune termică, sau Vt. La temperatura camerei, această temperatură este de aproximativ 26 mV. Ecuaţia simplificată a diodei
unde, ID = curentul diodei (A) IS = curentul de saturaţie (aproximativ 10-12 A) e = constanta lui euler (2,718) VD = tensiunea aplicată la bornele diodei (V) Cunoscând acest fapt, şi considerând factorul de idealitate ca fiind 1, putem simplifica ecuaţia de mai sus şi să ajungem la următoarea relaţie. Aceste ecuaţii nu trebuie neapărat luată în considerare la analiza circuitelor simple cu diode, ci este menţionată aici doar pentru a înţelege faptul că există o variaţie a căderii de tensiune la bornele diodei pentru diferite valori ale curenţilor prin diodă. Această variaţie este foarte mică, aceasta fiind şi motivul pentru care se consideră că, la bornele diodei, căderea de tensiune rămâne constantă la 0,7 (siliciu) sau 0,3 V (germaniu). Totuşi, unele circuite folosesc în mod intenţionat relaţia curent/tensiune a joncţiunii P-N, şi ele pot fi înţelese doar în contextul acestei ecuaţii. De asemenea, din moment ce temperatura este un factor în ecuaţia diodei, o joncţiune P-N polarizată direct poate fi folosită ca un dispozitiv de determinare a temperaturii, iar această utilizarea poate fi înţeleasă doar dacă înţelegem în primul rând ecuaţia diodei de mai sus. Curentul invers Deşi o diodă polarizată invers, nu permite curentului să treacă prin ea datorită extinderii zonei de golire, în realitate există un mic curent de scurgere ce trece prin diodă chiar şi la polarizarea inversă, 9
10 iar acest curent poartă numele de curent invers. Curentul invers poate fi însă ignorat pentru majoritatea aplicaţiilor. Tensiunea de străpungere Dioda nu poate suporta o tensiune de polarizare inversă infinit de mare. Dacă această tensiune devine prea mare, dioda va fi distrusă datorită unei condiţii denumită străpungere. Această tensiune inversă maximă poartă numele de tensiune de străpungere (inversă), notată cu Vs. Tensiunea de străpungerea creşte odată cu creşterea temperaturii şi scade cu scăderea temperaturii - exact invers faţă de tensiunea de polarizare directă. Variaţia curent-tensiune a diodei
Fig. 8. Graficul curent-tensiune al diodei Conectarea diodei la ohmmetru
Fig. 9. Conectarea diodei la ohmmetru
10
11 Din moment ce o diodă nu este nimic altceva decât o valvă uni-direcţională de curent, putem verifica acest lucru folosind un ohmmetru alimentat în curent continuu (cu baterie). La conectarea diodei într-o anumită direcţie, aparatul de măsură ar trebui să indice o rezistenţă foarte mică (figura de alăturată (a)), iar la conectarea inversă, aparatul ar trebui să indice o rezistenţă foarte mare (figura alăturată (b)). („OL” reprezintă o valoarea prea mare ce nu poate fi indicată de aparatul de măsură (din engl. Over-Limit); în acest caz, putem considera rezistenţa ca fiind infinită). Folosirea corectă ohmmetrului Desigur, determinarea polarităţii diodei (care terminal este anodul şi care catodul) necesită ca în primul rând să cunoaştem care din sondele aparatului de măsură este cea pozitivă (+) şi care sondă este cea negativă (-), atunci când aparatul este trecut pe funcţia „Ω”. La majoritatea multimetrelor digitale, sonda roşie reprezintă terminalul pozitiv iar sonda neagră reprezintă terminalul negativ, atunci când aparatul este setat pe măsurarea rezistenţelor. Totuşi, acest lucru nu este valabil pentru toate multimetrele, existând posibilitatea ca sonda neagră să fie pozitivă (+) şi cea roşie negativă (-). Neajunsuri Problema folosirii unui ohmmetru pentru verificarea unei diode, este că indicaţia afişajului are doar valoare calitativă, nu şi cantitativă. Cu alte cuvinte, un ohmmetru poate doar să ne spună dacă dioda funcţionează (dacă aceasta conduce curent), dar valoarea rezistenţei obţinute din măsurătoare nu ne este de niciun folos. Dacă un ohmmetru indică o valoare de 1,73 Ω la polarizarea directă, această valoarea nu este folositoare unui tehnician sau proiectantului circuitului. Această valoare nu reprezintă nici căderea de tensiune la polarizarea directă şi nici rezistenţa materialului semiconductor din diodă, ci este o mărime dependentă de ambele cantităţi şi variază substanţial în funcţie de ohmmetrul folosit pentru efectuarea citirii. Utilizarea funcţiei speciale de „verificare diodă”
Fig. 10. Verificarea diodei 11
12 Din acest motiv, unele multimetre digitale sunt prevăzute cu o funcţie specială de „verificare a diodei” ce indică tensiunea reală de polarizare directă a diodei, în volţi, în loc de o rezistenţă în ohmi. Principiul de funcţionare al acestor aparate de măsură constă în forţarea unui curent mic prin diodă şi măsurarea căderii de tensiune dintre cele două borne ale diodei. Folosirea unui circuit special
Fig. 11. Măsurarea tensiunii de polarizare
Totuşi, valoarea tensiunii de polarizare directă indicată de aceste aparate va fi de obicei mai mică decât valoarea „normală” de 0,7 V, deoarece curentul furnizat de aparatul de măsură prin diodă este foarte mic. Dacă nu avem la dispoziţie un multimetru cu funcţie de verificare a diodelor, sau dacă vrem să măsurăm tensiunea de polarizare directă a diodei folosind un curent mai mare, putem realiza un circuit electric precum în figura alăturată, folosind o baterie, un rezistor şi un voltmetru.
Lista parametrilor Principalele caracteristici ale diodelor, trecute în cataloage, sunt următoarele: VRRM - tensiunea inversă repetitivă maximă, este tensiunea maximă inversă la care poate rezista dioda, atunci când această tensiune este atinsă în mod repetat. Ideal, această valoare ar fi infinită. VR sau VDC - tensiunea maximă inversă de curent continuu, este valoarea maximă a tensiunii la care dioda poate funcţiona neîntrerupt, fără distrugerea acesteia. Ideal, această valoare a fi infinită. VF - tensiunea (de polarizare) directă maximă, de obicei este specificată împreună cu valoarea curentului direct. Ideal, această valoare ar fi zero: ideal, dioda nu ar prezenta niciun fel de opoziţie în faţa deplasării electronilor. În realitate, tensiunea directă este descrisă de ecuaţia diodei. IF(AV) - valoarea maximă (medie) a curentului direct, valoarea maximă medie a curentului pe care bobina o poate suportă la polarizarea directă. Această limitarea este practic o limitare termică: câtă 12
13 căldură poate „suporta” joncţiunea P-N, având în vedere că puterea disipată reprezintă produsul dintre curent şi tensiune, iar tensiunea de polarizare directă depinde atât de curent cât şi de temperatura joncţiunii. Ideal, această valoare ar fi infinită. IFSM sau if(vârf) - curentul de polarizare directă maxim, reprezintă curentul de vârf maxim pe care dioda îl poate conduce la polarizare directă, fără ca acest curent să ducă la distrugerea diodei. Din nou, această valoare este limitată de capacitatea termică a joncţiunii diodei, şi este de obicei mult mai mare decât valoarea curentului mediu datorită inerţiei termice. Ideal, această valoare ar fi infinită. PD - puterea maximă disipată totală, reprezintă valoarea puterii (în Watt) pe care dioda o poate disipa fără ca această putere să ducă la distrugerea diodei. Această valoare este limitată de capacitatea termică a diodei. Ideal, această valoare ar fi infinită. TJ - temperatura de funcţionare a joncţiunii, reprezintă temperatura maximă admisă a joncţiunii P-N a diodei, valoare dată de obicei în oC. Căldura reprezintă punctul critic al dispozitivelor semiconductoare: acestea trebuie menţinute la o temperatură cât mai apropiată de temperatura camerei pentru funcţionarea lor corectă şi o durată de funcţionare cât mai lungă. TSTG - temperatura de depozitare, reprezintă valoarea temperaturii de stocare a diodelor (nepolarizate). R(Θ) - rezistenţa termică, reprezintă diferenţa dintre temperatura joncţiunii şi temperatura aerului exterior diodei (R(Θ)JA), sau dintre joncţiune şi contacte (R(Θ)JL), pentru o anumită putere disipată. Valoarea este exprimată în oC/W. Ideal, această valoare ar fi zero, ceea ce ar înseamna că învelişul (carcasa) diodei ar fi un conductor şi radiator termic perfect, fiind capabil să transfere energie sub formă de căldură dinspre joncţiune spre mediul exterior (sau spre contacte) fără nicio diferenţă de temperatură existentă în grosimea carcasei. O rezistenţă termică ridicată se traduce prin faptul că dioda va stoca o temperatură excesivă în jurul joncţiunii (punctul critic), în ciuda eforturilor susţinute de răcire a mediului exterior diodei; acest lucru duce la limitarea puterii maxime disipate. IR - curentul maxim de polarizare inversă, reprezintă valoarea curentului prin diodă la polarizarea inversă şi aplicarea tensiunii de polarizare inversă maximă de curent continuu(VDC). Mai este cunoscut şi sub numele de curent de scăpări. Ideal, această valoare ar fi zero, deoarece o diodă perfectă ar bloca toţi curenţii atunci când este polarizată invers. În realitate, această valoarea este mică în comparaţie cu valoarea curentului maxim de polarizare directă. CJ - capacitatea tipică a joncţiunii, reprezintă capacitatea intrinsecă joncţiunii, datorită comportării zonei de golire precum un dielectric între anod şi catod. Această valoare este de obicei foarte mică, de ordinul picofarazilor (pF). trr - timpul de revenire invers, reprezintă durata de timp necesară „stingerii” diodei atunci când tensiunea la bornele sale alternează între polarizare directă şi polarizare inversă. Ideal, această valoare ar fi zero: dioda se „stinge” imediat după inversarea polarităţii. Pentru o diodă redresoare tipică, timpul de revenire este de ordinul zecilor de microsecunde (ms); pentru o diodă de comutaţie rapidă, acest timp poate ajunge la doar câteva nanosecunde (ns).
13
14
CAP.II. CLASIFICAREA DIODELOR Clasificarea diodelor semiconductoare se poate face după tehnologia de fabricaţie şi după domeniul de aplicaţie. În Tabelul 1.1 (vezi Anexa nr.1) se prezintă clasificarea diodelor semiconductoare după procesul tehnologic de realizare. În Tabelul 1.2 (vezi Anexa nr.2) se propune o clasificare a diodelor semiconductoare după funcţiile pe care acestea le îndeplinesc în circuitele electronice.
Caracteristici principale ale diodelor semiconductoare Caracteristica directă. Curentul este egal cu zero, până la o anumită valoare numită tensiune de prag, de la care creşte rapid cu creşterea tensiunii U; valori tipice pentru tensiunea de prag sunt cuprinse între limitele 0,2 – 0,3 V pentru diode cu germaniu şi 0,6 – 0,7 pentru diode cu siliciu. Caracteristica inversă. La polarizare inversă, diodele semiconductoare sunt parcurse de curenţi foarte mici (de ordinul microamperilor sau nanoamperilor). La creşterea tensiunii inverse aplicate diodei; peste această valoare, chiar la variaţii mici ale tensiunii inverse aplicate diodei, curentul (invers) creşte rapid. Dacă această creştere a curentului invers nu este evitată sau limitată, dioda se poate distruge. Tensiunea la care apare acest fenomen se numeşte tensiune de străpungere. Caracteristica inversă a diodelor semiconductoare este puternic dependentă de temperatură. Puterea de disipaţie maximă. La utilizarea diodelor semiconductoare este necesar să se ţină seama de două limitări importante: curentul direct maxim şi tensiunea inversă maximă; depăşirea acestor mărimi poate produce distrugerea diodei. Puterea maximă de disipaţie Pdmax este determinată prin produsul: i ⋅ u ≤ Pd max , relaţie care este reprezentată grafic în figura 1.2 unde limitele de funcţionare fără pericol ale unei diode semiconductoare sunt haşurate. În relaţia de mai sus i şi u reprezintă curentul care trece prin diodă respectiv tensiunea la bornele ei la un moment dat în planul i-u.
Fig. 12. Hiperbola de disipaţie pentru o diodă semiconductoare
14
15
CAP.III. TIPURI DE DIODE III.1. Dioda redresoare Diodele redresoare se construiesc de obicei din trei straturi: un strat p+ cu concentraţie mare de impurităţi acceptoare, un strat s cu concentraţie foarte mică de impurităţi având o rezistivitate ρ = 30...300 Ωcm şi un strat n+ cu concentraţie mare de impurităţi donoare. Joncţiunea apare la contactul cu stratul n+ dacă s este de tip p şi la contactul p+ dacă s este de tipul n. Tensiunea de străpungere ridicată este asigurată de regiunea s care la aplicarea unei tensiuni inverse se goleşte de purtătorii de sarcină mobili şi devine o regiune de sarcină spaţială. În conducţia directă dioda prezintă o rezistenţă ohmică de valoare mică datorită faptului că regiunea s este saturată de purtătorii de sarcină injectaţi din regiunea n+ sau p+.
p+ s n+ Fig. 13. Structura unei diode redresoare Acest tip de diodă poate fi realizat prin aliere, difuzie sau epitaxie. În cazul diodei cu germaniu aliată regiunea p+ se realizează cu indiu, iar regiunea n+ cu un aliaj staniu-stibiu. Pentru diodele cu siliciu aliate, regiunea p+ se realizează cu aluminiu, iar regiunea n+ cu un aliaj aur-stibiu.
Fig. 14. Dioda redresoare
III.2. Dioda Zener Este o diodă stabilizatoare de tensiune. Funcţionarea ei se bazează pe proprietatea joncţiunii p-n de a avea în regiunea de străpungere o tensiune la borne constant, într-o gamă largă de variaţie a curentului invers. Dioda funcţionează într-un regim de străpungere controlat, în care atât curentul, cât si puterea disipată sunt menţinute la valori pe care dioda le poate suporta în regim permanent, fără sa se distrugă. 15
16 Dioda zener este construită din siliciu : -când este polarizată direct (+ pe anod si – pe catod) funcţionează ca o diodă cu joncţiune. -când este polarizată invers (- pe anod si + pe catod) funcţionează în regim de străpungere.
Fig. 15. Semnul convenţional al diodei Zener Funcţionarea diodei zener este caracteristică următoarelor mărimi: 1) Tensiunea de stabilizare ( este tensiunea la care apare regimul de străpungere; poate avea valori între 4-200 V) 2) Rezistenţa dinamică (este rezistenşa internă a diodei în regiunea de străpungere) Rd = DU/DI - cu cât rezistenţa dinamică este mai mică cu atât tensiunea diodei este mai mică. 3) Curentul invers maxim (este valoare maximă a curentului pe care o poate suporta diode, fără să se deterioreze) 4) Putere maximă disipată (este produsul dintre tensiunea de străpungere şi curentul invers maxim; are valori cuprinse între 0,2-50 W) 5)Coeficientul de temperatură a tensiunii de stabilizare, care reprezintă variaţia tensiunii de stabilizare pentru o variaţie a temperaturii de 1grad C - acest coeficient este negativ pentru tensiunea la bornele diodei, adică Uz mai mic de 6V şi pozitiv pentru tensiuni mai mari de 6V.
III.3. Dioda tunel Are o concentraţie mare de impurităţi, ducând la micşorarea lătimii regiunii de trecere pâna la (10la-2 microni). Datorită acestei lăţimi mici a barierei de potenţial; apare un fenomen numit efectul tunel. Datorită acestui efect electronii pot învinge bariera de potential chiar dacă lipseşte energia suplimentară. Tot datorită acestui effect, apare curentul tunel, care se suprapune peste curentul normal al unei jonctiuni p-n modificând caracteristica curent-tensiune, caracteristica ce se deosebeşte de cea a unei diode semiconductoare prin următoarele: - în regiunea de polarizare inversă dependenţa curent-tensiune este liniară, deci dioda nu prezintă conductţe unilaterală; - în regiunea polarizării directe, pentru valori mici ale tensiunii, caracteristica are forma de „N”. Aceasta caracteristică arată, ca pe o anumită porţiune la creşteri ale tensiunii corespund mişcări ale curentului. În acest domeniu dioda prezintă o rezistenţă negativă, care de obicei este de valoarea zecilor de ohmi. Pentru o bună funcţionare este de dorit, ca raportul dintre curentul maxim şi curentul minim să fie cât mai mare. Dacă se foloseşte material semiconductor, arseniura de galiu acest raport depaseşte valoare 15. Dioda tunel lucrează la puteri mici de ordinul watilor. Caracteristica diodei nu depinde de variaţiile de temperatură de aceea ea poate lucra la frecvenţe 16
17 foarte înalte de ordinul 10 la a 4 MHz.
Fig. 16. Semnul convenţional al diodei tunel Datorita caracteristicii în „N” şi a funcţionării la frecvente, aceasta diodă este folosită la realizarea următoarelor circuite: - amplificatoare de frecvente foarte înalte; - oscilatoare de frecvenţe foarte înalte; - circuite basculante monostabile, bistabile şi astabile. Dezavantajul diodei tunel este că are numai două borne şi deci nu se poate face separarea între circuitul de intrare şi cel de iesire.
III.4. Dioda Varicap Sunt diode cu joncţiune , care funcţionează în regim de polarizare inversă pâna la valoarea de străpungere . Aceste diode utilizează proprietatea joncţiunii p-n de a se comporta ca o capacitate ce depinde de tensiunea continuă de polarizare inversă (acesta este capacitatea de barieră). Aceasta posibilitate de a varia o capacitate într-un circuit prin varierea unei surse de polarizare este necesară în circuitele de schimbare a frecvenţei: circuitele de reglaj automat al frecvenţei, precum şi modulaţia frecvenţei. Diodele varicap au capacităţi de ordinul pF sau zecilor de pF şi se construiesc din siliciu pentru a avea o rezistentă internă mai mare în polarizarea inversă. În acest fel, ele pot fi asimilate cu un condensator cu pierderi neglijabile.
Fig. 17. Semnul convenţional al diodei Varicap
III.5. Dioda cu contact punctiform Este folosită pentru frecvenţe înalte. Este alcătuită din următoarele componente: - o capsulă de sticlă străbătută de 2 electrozi metalici. La capătul unui electrod se găseşte un monocristal de germaniu (semiconductor de tip n). Celălalt electrod se continuă cu un conductor de wolfram, care vine în contact cu monocristalul. Dacă se trece un impuls de curent scurt, dar puternic la contactul dintre conductori şi monocristal în interiorul acestuia din urmă se formează o regiune de tip p . Apare astfel o joncţiune de tip p-n de suprafaţă foarte mică, cu o capacitate foarte mică ( < 1pF ) Datorita acestei joncţiuni, dioda funcţionează la frecvenţe foarte înalte. Acest tip de diodă poate fi folosit ca detector, schimbător de frecvenţă sau ca diodă de comutaţie. 17
18
Fig. 18. Structura unei diode cu contact punctiform: 1-capsula de sticla; 2-electrozi metalici; 3-semiconductor de tip N; 4-conductor subtire de Wolfram
Fig. 19. Semn convenţional
III.6. Fotodioda Sunt astfel construite, încât lumina să pătrundă în dreptul joncţiunii. Radiaţia luminoasă, ajungând în dreptul joncţiunii, generează purtători excedentari de sarcină, care se vor deplasa sub acţiunea câmpului electric creat de tensiunea aplicată diodei. Fotodiodă cu contact punctiform: 1 – pastilă de germaniu; 2 – lentilă; 3 – izolator; 4 – fir de tungsten; 5 – carcasa diodei (catod); 6 – terminal anod.
Fig. 20. Construcţia fotodiodei
III.7. Dioida luminoasă Cunoscute în literatura de specialitate sub denumirea de LED-uri (LIGHT EMITTING DIODES), diodele luminoase au proprietatea de a emite lumină la trecerea curentului prin ele. Principiul de funcţionare se bazează pe faptul că în anumite materiale semiconductoare (ex. arseniura de galiu) energia care se degajă în urma procesului de recombinare electron-gol poate fi emisă sub forma de lumină. Diodele luminoase intră în compunerea caracterelor luminoase (cifre, litere, semne) folosite pentru afişarea informaţiilor (ex. în aparatele electronice cu citire numerică) Folosirea diodelor luminoase împreună cu un dispozitiv fotosensibil creează un cuplaj optic între două circuite perfect izolate din punct de vedere electric, folosit în realizarea circuitelor optoelectronice. 18
19
Fig. 21. Dioda de tip LED
Fig. 22. Dioda LED - semn convenţional
19
20
CAP.IV. REDRESAREA, CEA MAI RĂSPÂNDITĂ APLICAŢIE A DIODELOR
Definiţia redresării Cea mai populară aplicaţia e diodelor este redresarea. Pe scurt, redresarea reprezintă transformarea curentului alternativ în curent continuu. Acest lucru implică folosirea unui dispozitiv ce permite trecerea electronilor doar într-o singură direcţie, iar dioda realizează întocmai acest lucru. Redresorul mono-alternanţă
Fig. 23. Redresor monoalternanţă
Cel mai simplu circuit de redresare îl reprezintă redresorul mono-alternanţă. Acesta permite trecerea doar a unei jumătăţi a formei de undă de curent alternativ dinspre sursă, înspre sarcină. Neajunsuri Pentru majoritatea aplicaţiilor de putere însă, redresarea mono-alternanţă nu este suficientă. Conţinutul armonic al undei de ieşire este foarte mare şi prin urmare dificil de filtrat. Mai mult, sursa de tensiune alternativă este „văzută” de sarcină doar odată la fiecare jumătate de perioadă, ceea ce înseamnă, că mare parte din capacitatea sursei nu este folosită. Utilizare
Fig. 24. Utilizarea redresorului monoalternanţă
20
21 Redresarea mono-alternanţă este totuşi o modalitatea foarte uşoară de reducere a puterii generate pe o sarcină rezistivă. Unele comutatoare cu rezistenţă reglabilă folosite la lămpi, aplică întreaga tensiune de curent continuu pe filamentul „lămpii” în poziţia „maxim”, şi doar o jumătate (folosind un redresor mono-alternanţă) din tensiunea maximă disponibilă pe cealaltă poziţie, pentru o intensitate luminoasă mai scăzută. Când întrerupătorul este în poziţie mediu, lampa incandescentă primeşte aproximativ jumătate din puterea disponibilă la sursa de curent alternativ. Datorită faptului că forma de undă mono-alternanţă pulsează mult mai rapid, decât timpul necesar pentru încălzirea şi răcirea filamentului, lampa nu „clipeşte”, ci, filamentul ei pur şi simplu operează la o temperatură mai mică decât temperatura normală de funcţionare. Redresor dublă-alternanţă cu punct median Pentru redresarea şi folosirea ambelor alternanţe a undelor sinusoidale, avem nevoie de o altă configuraţie a circuitului redresor, şi anume, un redresor dublă-alternanţă.
Fig. 25. Schemă de montaj cu redresor dublă-alternanţă Una dintre posibilităţi este realizarea redresorului cu punct median, folosind un transformator cu priză mediană pe înfăşurarea secundară şi două diode. Putem înţelege mult mai bine funcţionarea acestui redresor dacă luăm pe rând fiecare jumătate de perioadă (semi-perioadă). Prima semi-perioadă
Fig. 26. Prima perioadă în funcţionare
21
22 Să considerăm de exemplu prima jumătate a perioadei, când polaritatea tensiunii de alimentare este pozitivă (+) sus şi negativă (-) jos. În această situaţie, doar dioda de sus va conduce, iar dioda de jos este blocată. Sarcina „vede” prima jumătate a formei de undă sinusoidale, pozitiv sus şi negativ jos. Doar partea de sus a înfăşurării secundare a transformatorului conduce curent în acest caz. A doua semi-perioadă
Fig. 27. A doua perioadă în funcţionare
În a doua parte a perioadei, polaritatea tensiunii alternative se inversează. În acest caz, cealaltă diodă, cea de jos, şi cealaltă jumătate a secundarului transformatorului, vor conduce curent, iar celelalte porţiuni ale circuitului ce au fost active la pasul precedent, nu vor conduce curent. Sarcina „vede” şi în acest caz o jumătate de formă de undă sinusoidală, de aceeaşi polaritate ca şi în cazul precedent: pozitiv în partea de sus şi negativ în partea de jos. Redresor dublă-alternanţă cu polaritate dublă
Fig. 28. Redresor dublă-alternanţă cu polaritate dublă
Polaritatea sarcinii poate fi inversată prin inversarea direcţiilor diodelor. Mai mult, diodele inversate pot fi conectate în paralel cu configuraţia pozitivă deja existentă. Rezultatul este un redresor dublă-alternanţă cu polaritate dublă. Modul de conectare al diodelor este acelaşi ca şi la redresorul în punte.
22
23 Dezavantaje Un mare dezavantaj al acestei configuraţii este necesitatea folosirii unui transformator cu priză mediană pe înfăşurarea secundară. Dacă circuitul în cauză este un circuit de putere mare, mărimea şi costul unui astfel de transformator pot fi suficient de mari. Prin urmare, redresorul dublu alternanţa cu punct median este folosit doar în aplicaţiile de putere mică. Redresor dublă-alternanţă în punte (punte redresoare)
Fig. 29. Redresor dublă-alternanţă în punte
Probabil că cel mai popular redresor este cel dublă-alternanţă în punte. Aceste utilizează patru diode conectate în punte. Semi-perioadele pozitive
Fig. 30. Funcţionarea redresorului în punte
Direcţia curentului pentru semi-perioadele pozitive este prezentată în figura alăturată.
23
24 Semi-perioadele negative
Fig. 31. Funcţionarea redresorului în punte – a doua perioadă
Direcţia curentului pentru semi-perioadele negative este prezentată în figura alăturată. Avantaje şi dezavantaje Indiferent de polaritatea intrării, curentul prin sarcină are aceeaşi direcţie de curgere. Cu alte cuvinte, o semi-perioadă negativă la sursă este o semi-perioadă pozitivă pe sarcină. Curgerea curentului are loc prin două diode serie, pentru ambele polarităţi. Astfel, căderea de tensiune pierdută dinspre sursă spre sarcină datorită diodelor este dublă (0,7 ∙ 2 = 1,4 V pentru Si) faţa de redresorul dubă alternanţă cu punct median. Acest dezavantaj reprezintă însă o problemă doar pentru sursele cu o tensiune de alimentarea foarte scăzută. Reprezentarea echivalentă
Fig. 32. Prezentarea funcţionării
Modul corect de aşezare în punte al diodelor poate prezenta pentru începători unele dificultăţi. O reprezentare alternativa, dar echivalentă, a acestui circuit este mult mai uşor de ţinut minte şi de înţeles. Este exact acelaşi circuit, doar că toate diodele sunt poziţionate orizontal, şi toate indică în aceeaşi direcţie.
24
25 Configuraţie trifazată
Fig. 33. Redresor trifazat
Un avantaj al acestei notaţii este că poate fi uşor aplicată unei versiuni trifazate a redresorului. Configuraţie polifazată
Fig. 34. Redresor polifazat
...sau oricărei configuraţii polifazate.
25
26 Forma de undă a tensiunii redresate
Fig. 34. Forme de unde înainte şi după redresare
În cazul redresării unui circuit de curent alternativ polifazat, suprapunerea pulsurilor defazate produce o tensiune de curent continuu mult mai „netedă” (cu un conţinut mai mic de curent alternativ) decât cea produsă prin redresarea unei singure faze de curent alternativ. Acesta este un avantaj important în circuitele redresoare de putere, unde doar mărimea fizică a componentelor necesare pentru realizarea filtrării ar impune unele limite. Tensiunea de pulsaţie Indiferent de tipul redresării - monofazată sau polifazată - cantitatea de tensiune alternativă suprapusă peste tensiunea de curent continuu la ieşirea redresorului, poartă numele de tensiune de pulsaţie, sau simplupulsaţie. În majoritatea cazurilor, din moment ce la ieşire dorim o tensiune de curent continuu pură, pulsaţia reprezintă o tensiune nedorită. Dacă puterile implicate nu sunt foarte mari, se pot folosi reţele de filtrare pentru reducerea cu succes a acestui efect. Numărul pulsurilor semnalului redresat Câteodată, metoda rectificării (redresării) este descrisă numărând „pulsurile” tensiunii de curent continuu pentru fiecare 360o electrice. Un redresor monofazat, mono-alternanţă, este prin urmare un redresor cu un puls, deoarece produce un singur puls într-o perioadă completă (360o) a formei de undă alternative. Un redresor monofazat, dublă-alternanţă (indiferent dacă este cu punct median sau în punte), poate fi numit redresor cu două pulsuri, deoarece produce două pulsuri de tensiune continuă într-o perioadă a tensiunii de curent alternativ. Un redresor trifazat, dublă-alternanţă poate fi denumit redresor cu şase pulsuri.
26
27 Dublarea numărului de pulsuri
Fig. 35. Dublarea numărului de pulsuri
Este posibilă obţinerea unui număru dublu de pulsuri faţă de numărul fazelor cu ajutorului unui redresor. Folosind transformatoare, putem conecta în paralel un set de redresoare dublă-alternanţă în punte astfel încât să rezulte mai mult de 6 pulsuri de tensiune continuă pentru cele trei faze ale curentului alternativ. Dacă se introduce un defazaj de 30o între primarul şi secundarul transformatorului trifazat atunci înfăşurările nu sunt de acelaşi tip. Cu alte cuvinte, un transformator în configuraţie Y-Δ (stea-triunghi) sau Δ-Y (triunghi-stea), va prezenta acest defazaj de 30o, dar nu şi un transformator în configuraţie Y-Y sau Δ-Δ. Acest fenomen poate fi exploatat prin utilizarea unui transformator în configuraţie Y-Y conectat la un redresor în punte, iar un alt transformator în configuraţie Y-Δ conectat la un al doilea redresor în punte; cele două punţi redresoare le conectăm apoi în paralel. Din moment de tensiunea de pulsaţie dintre cele două redresoare este defazată cu 30o, tensiunea de pulsaţie rezultată prin superpoziţia lor va fi mai mică decât tensiunea de pulsaţie luată individual pentru cele două redresoare: 12 pulsuri pentru o perioadă (360o) în loc de 6.
27
28
BIBLIOGRAFIE
1. Ceangă E., ş.a.- Electronică industrială, E.D.P. Bucureşti, 1981. 2. Ceangă E., ş.a.- Îndrumăr de laborator pentru electronică, Universitatea din Galaţi, 1978. 3. Aiordăchioaie D., ş.a. – Electronică. Îndrumar de laborator,. Universitatea din Galaţi, 1994. 4. Iliev Mircea, Popa Rustem, Iliev Voichiţa-Marcela - Dispozitive şi circuite electronice – partea I-a, Editura Fundaţiei Universitare “Dunărea de Jos”, Galaţi, 2001. 5. internet 6. Bodea M. “Circuite integrate liniare”
7. Bodea M. „Diode şi tiristoare de putere” 8. Dragulanescu N. “Agenda radioelectronistului” 9. Manolescu A. M. ”Realizarea rezistenţelor de, precizie in tehnologia straturilor subţiri, Automatica şi electronica” 10. Cătuneanu V.M. „Materiale şi componente electronice” 11. Germán S. Zoltán „Dispozitive şi circuite electronice”
12. Pătruţescu M. „Diodele tunel şi utilizarea lor” 13. Petru A.D. „Diode cu siliciu” 14. Rabeja R.I. „Diode şi tranzistoare” 15. Ristea I. „Manualul muncitorului electronist” 16. Schlett Z. „Semiconductoare şi aplicaţii”
28
29
Anexe ANEXA NR.1 Clasificarea diodelor semiconductoare în tipuri tehnologice
DIODE CU CONTACT PUNCIFORM
MICROALIATE
ALIATE
DIFUZATE
MESA-ALIATE
EPITAXIALE
MESA-DIFUZATE
ALIAT-DIFUZATE
PLANARE
PLANAR-EPITAXIALE
MESA-PLANARE
MESA-PLANAR EPITAXIALE
29
30
ANEXA NR.2 Clasificarea diodelor semiconductoare după funcţiile lor în circuite electronice
DIODE
REDRESOARE
STABILIZATOARE
VARICAP
DE MICĂ PUTERE IF 0,3A
DE MICĂ PUTERE Pd 0,3W
DE ÎNALTĂ FRECVENŢĂ
DE PUTERE MEDIE IF 10A
DE PUTERE MEDIE Pd 5W
DE ULTRAÎNALTĂ FRECVENŢĂ
DE PUTERE MARE IF > 10A
DE PUTERE MARE Pd > 5W
DE ÎNALTĂ FRECVENŢĂ (până la300MHz)
DE ULTRAÎNALTĂ FRECVENŢĂ (până la300MHz)
DETECTOARE
DETECTOARE
MIXER
MIXER
COMUTATOARE
COMUTATOARE
FOTODIODE
PENTRU SPECTRUL VIZIBIL
SPECIALE
30
