Diodi

Diodi
I diodi sono realizzati mediante giunzione di due parti di silicio ,una (n) drogata con elementi pentavalenti ,cioè
donatori di elettroni, l’altra (p)drogata con elementi trivalenti ,cioè accettori di elettroni. Quindi la zona n sarà il catodo
del diodo avente maggioranza di portatori rappresentata de elettroni liberi (-), nella zona p tale maggioranza sarà
costituita da lacune (+) e sarà quindi l’anodo.
Il silicio utilizzato è un semiconduttore ,in quanto la sua conducibilità elettrica Ha un valore a meta tra conduttori e non.
Allo stato non drogato il silicio ha elettroni n e lacune p in ugual misura quindi n = p = n i dove n2i = BT3e –Eg / kT e
dipendono quindi dalla temperatura. All’interno del silicio le cariche si muovono grazie a due correnti , la corrente di
drift, dovuta a una differenza di potenziale che causa un campo elettrico che muove n e p, ( J drift=q(pup + nun) E e
Vdrift=uE dove u è la mobilita elettrica di n e p) e la corrente di diffusione dovuta a diversa concentrazione di carica
spaziale (Jn =qDn dn/ db e Jp= -qDp dp /dx).
Se drogo il silicio n aggiungo una dose fissata di portatori n di elettroni pari al numero di atomi che introduco di
donatore (in genere arsenico ,fosforo) mentre il numero di p è ancora dipendente dalla temperatura ,infatti nn0 pn0 = n2i
=> pn0 = BT3e –Eg / kT / nn0 e
nn0 =N d .Se drogo il silicio p aggiungo una dose fissata di portatori p di lacune pari al
numero di atomi che introduco di accetori (in genere boro) , infatti . n n0 = BT3e –Eg / kT / pn0 con pn0 = N a.
Alcuni elettroni passano dalla zona n alla p e si combinano con alcune delle lacune qui presenti e lasciando alcune
cariche negative “scoperte” , l’inverso succede nella zona n dove ci sono fasce con cariche negative scoperte. A cavallo
della giunzione si forma una fascia detta “depetion region”di n nella zona p e di p nella zona n. Si ha quindi una
corrente di diffusione Id dovuta alle diverse concentrazioni in zona p e n, e una corrente di drift Is dovuta al campo che
si crea a cavallo della zona di giunzione dovuta alla depetion region. Quando il diodo non è polarizzato Is=Id per
l’equilibrio mantenuto dalla berriera di potenziale V0=Vtln(Na Nd/Ni2) pari a 0.6 0.8 V. Per una polarizzazione reverse
Vp<Vn avrei una corrente di circuito I= Is-Id ,infatti la corrente esterna favorirebbe
Id
la corrente di diffusion Id ,per cui il diodo ,per riavere l’ equilibrio accresce la depection region
Is
depl.reg
e quindi il V0 , abbassando la Id sotto il livello di equilibrio Id=Is e la corrente che passa se Id=0
sarà inversa e pari a I=-Is. Nel caso di polarizzazione forword è la corrente di drift Is a essere
Holes
-- ++ elect.free
favorita dall’esterno ,per cui il diodo restringe la deplection region e il V 0 cala per cui cala anche
-- ++
Is che risulterà molto piccola e I= Id circa.. Il breackdown del diodo avviene o per zener effect
-- ++
P ++ -- ++ n—
,più importante , o per effetto valanga.
--
++
i
i
reverse bias
anodo
forword bias
+
v
i >0 => v = 0 forword
catodo
-
+
v
i
0
i-v caratteristica ideale
v
+
v
v < 0 => i = 0 reverse-bias
-
La caratteristica reale del diodo è molto più complessa di quella
ideale ed è composta di tre zone di zunzionamento: forward ,
reverse e breakdown, con tensioni di soglia che le caratterizzano,
i
vale a dire la tensione negativa di breakdown -Vzk,oltre la quale il
diodo lascia passare correnti negative molto alte ,il drop voltage
V=0.6 0.8 dove invece il diodo è praticamente conduttivo e lascia
Forword
passare correnti positive alte, il cut-in voltage V=0.5 dove le
correnti in gioco sono ancoramolto piccole ma è appena prima
della zona conduttrice.
-Vzk
 Nel forword la corrente i funzione della tensione è :
v
i = Is(ev / nVt –1)
breakdown
0
0.7V
ove la Is è la corrente di saturazione che dipende direttamente
reverse
dalla sezione trasversale del diodo e dalla temperatura (raddoppia
0.5V
ogni aumento di 5°C nella temperatura).La Vt è la tensione
termica pari a
Vt=kT/q (k boltzman cost=1.38 10e-23,T=temperatura assoluta in
kelvin ,q=carica elettronica=1,6 10e-19) e in genere vale
Vt=25mV a temperatura ambiente(25°C).
Se i<<Is vale l’approssimazione i =Is ev / nVt cioè v = nVt
ln(i/Is)
Da notare è l’andamento logaritmico della funzione per il quale
grossi cambiamenti di corrente danno piccoli cambiamenti in
tensione.
Nella forword tutte le correnti e le tensioni sono positive e sono tali quando orientate secondo il disegno.Un parametro
particolare è n
che in condizioni normali vale n=1.

Nel reverse ,cioè per tensioni negative, ho correnti molto piccole ,trascurabili e negative.Infatti vale la relazione in
reverse:
i  -Is
La Is ha un valore di circa 10e-14 10e-15 cioè ina corrente di reverse di 1nA

Il break-down invece, risponde a tensioni negative con correnti negative e molto alte.Questa proprietà viene
impiegata nei diodi Zeener in quanto con correnti che variano di molto in ingresso da in uscita una tensione costante.Le
correnti in teoria possono andare a meno infinito ma ovviamente non possono superare un certo limite, perchè se no la
potenza dissipata sarebbe eccessiva.
Modelli e soluzione dei circuiti
Un circuito come quello i figura è risolto da due equazioni una che esprime la legge del diodo l’altra la caduta di
potenziale dovuta al resistore : Id =Is ev / nVt e Id = (Vdd –Vd)/R.Anche dal punto di vista grafico le affermazioni
precedenti sono comprovate :
R
Id
i
slope= -1/R
+
Vd
Vdd
caratteristica diodo
-
Id
Operating point
load line
0
Vd
-modello semplificato a pendenza 1/Rd : id=0,vd  Vd0 e (vd-Vd0) / Rd , vd  Vd0
id
ideal
Vd0
Vdd
id
slope=1 /Rd
Rd
id
+
Vd0
(ordini di grandezza Vd0=0.65 Rd=20ohm)
slope=1 /Rd
0
-modello semplificato costante : id=0,vd  Vd0 e Vd0=Vd (Vd=0.7 come esempio)
Vd0
vd
id
0
Vd=0.7
-modello di piccolo segnale :
id
rd
vd
ideal
Vd0
Se applico un segnale che rispetta la condizione di “piccolo” segnale vd << n Vt il modello è valido. Si ricorda che Vt
è la tensione termica di 25mV e nel modello i valori sono: rd = ( nVt / Id ) , infatti id= ( Id / nVt )vd ricavata
dall’ipotesi di piccolo segnale per cui l’esponenziale diventa id(t)=Id(1+vd/nVt) e confrontando con id(t) = id+Id .
DIODI ZEENER
Sono diodi appositamente creati per lavorare in zona di breakdown, ciò significa che devono essere polarizzati in
reverse e in tal modo la caratteristica if(v) sarà una curva asintottica . Nei data sheets del diodo viene data la tensione
ai capi del diodo attraversato da una corrente di prova. Tale corrente è un parametro variabile mentre la tensione
conseguente è un parametro caratteristico e quasi costante. Infatti l’asintotticità del grafico fa si che per variazioni della
corrente che lo attraversa ,la tensione resta quasi costante. Questa proprietà rende il diodo zeener ottimo come shunt
regulator. Il modello e la curva del diodo
sono:
I
-Vz -Vzo -Vzk
+
v
dV
-Iz
slope=1/Rz
Iz
-Izt
dI
Vz0
+
Iz
Vz
Vz
-Rz
dV=Rz dI
--
L’equazione che descrive il modello è Vz=Vz0 + RzIz dove Vz0 è il potenziale di reverse da sottrarre a il potenziale di
polarizzazione e Rz è la incremental resistence . 1/Rz è la pendenza della curva che, più alta è , più il diodo si
comporta da regolatore ideale e quindi meglio funziona. Quindi il diodo funziona meglio per Rz più piccoli, cosi da
aumentare la pendenza e rendere più costante la tensione al variare della corrente. Il parametro più imoportante, quello
specificato nei data sheets è Vz=6.8 o 8.2 etc, poi è specificata la corrente di test che da la Vz, cioè Izt e la potenza
sopportabile dal diodo Wz per evitare eccessi di corrente che causerebbero il guasto del diodo.
L’uso del diodo zeener come shunt regulator prevede il suo posizionamento in parallelo al carico LOAD e due
parametri descrivono il funzionamento del dispositivo: il line regulation = dV0 / dVs e il load regulation = dV0 / dIl
che si calcolano calcolando le tensioni e la corrente di uscita sostituendo allo zeener il suo modello e usando la
sovrapposizione degli effetti. In un circuito come il seguente :
R
+
Iz
Vs
Nel circuito a lato il line regulation vale Rz/(R+Rz) e il load regulation
invece
-(Rz// R). Tali parametri esprimono la relazionabilità tra le variazioni di
corrente e quelle della tensione Vz, per cui vanno minimizzati. A tale
scopo è sufficiente scegliere uno zeener con bassa resistenza
incrementale Rz. Il diodo ,percorso dalla corrente generata da Vs e R
,che può presentare oscillazioni conseguenti al regime variabile di Vs,
presenta comunque ai capi una tensione costante prossima a Vz. Il
shunt regulator quindi livella, minimizza le possibili RIPPLE di
alimentazione dovute a Vs sul carico.
Il
V0
LOAD
-
CIRCUITI RETTIFICATORI
Utilizzano diodi semplici collegati in modo opportuno a seconda delle esigenze e posti all’uscita del trasformatore. Questo ha il
compito di trasformare la tensione di rete in quella di utilizzo diminuendola di un fattore N1/N2 dove N1 sono gli avvolgimenti del
primario collegato ai 220V di rete , N2 sono gli avvolgimenti del secondario collegati al rettificatore, a un filtro a condensatore, a un
shunt regulator e alo carico. Se la rete è a 220V50Hz in uscita al rettificatore si avrà Vs= (N2 / N1)220V. Esistono tre configurazioni:
-HALF WAVE RECTIFIER
Tale configurazione da una caratteristica IO così descritta: Vo=0 se Vs<Vdo e Vo= R/(R+rd)Vs-VdoR/(R+rd) se Vs>Vdo
Poichè in genere R>>rd se Vs>Vdo si ha approssimando Vo=Vs-Vdo dove Vdo è la tensione di forword del diodo di circa 0.7-0.8.
Importante da considerare è il PIV cioè peak inverse voltage , vale a dire la massima tensione di reverse (quando Vs è nel ciclo
negativo PAS) che il diodo può sopportare senza rompersi. Nel Half wave rectifier è la più alta , PIV = Vs ed è quindi opportuno
scegliere in tale configurazione diodi con una tensione di breakdown doppia del PIV prevedibile.Un altro svantaggio di questa
configurazione è che non rettifica il ciclo PAS negativo di Vs ma si limita a filtrarlo, ed è quindi meno efficace. Infine da un calo di
tensione utile di Vd0 proprio perchè Vo= Vs-Vdo ,solo nel ciclo positivo PAS di Vs.
Vo
D
Slope=R/(R+rd)
TRASF
D ideal Vdo
+Vs
R
Vs
rd
+
R
Vo
-+
Vs
Vdo
--
-FULL WAVE RECTIFIER
Configurazione migliore della precedente in quanto rettifica anche il ciclo negativo PAS della Vs, tuttavia ha ancora un PIV piuttosto
alto e utilizza trasformatori particolari ,CENTER TAPPED con un uscita in più al secondario a mezzo avvolgimento. Il calo di
tensione utile è di Vdo, infatti Vo=Vs-Vdo, ma a differenza di prima ciò avviene in entrambi i cicli PAS + e - .Il PIV è pari a :
PIV =2Vs-Vdo. Grafico VoVs e circuito sono :
Vo
+
+ Vs
slope=-1
Slope=1
TRASF
Vo
R
+
Vs
Vs
-Vdo
--
Vdo
-BRIDGE RECTIFIER
Tale configurazione è la migliore ,infatti rettifica tutti i cicli PAS dal trasformatore, funziona con trasformatori comuni, e da un
PIV= Vs-2Vdo+Vdo=Vs-Vdo che è quasi la metà del precedente. L’unico svantaggio è che il calo di tensione utile è maggiore ,vale
a dire di 2Vdo ,quindi nei picchi Vo=Vs-2Vdo, ma si risolve prendendo un tarsformatore con Vs opportuna. Lo schema è:
V
Vs
| 2Vdo
+
TRASF
R
Vs-2Vdo
Vo
T
BRIDGE RECTIFIER
-Vs
Vs
Vs-Vdo
|Vdo
|
|
|
Vs
V
BRIDGE RECTIFIER voltage
Vs
Vs-Vdo
| Vdo
|
V
t
t
Vdo
-Vs
Vs
-Vs
Vs
HALF-WAVE RECTIFIER voltage
FULL-WAVE RECTIFIER voltage
FILTRO RETTIFICATORE
I vari tipi di rettificatori trasformano il regime PAS alternato in una successione di peak, che devono poi essere
rettificati a loro volta. Per fare questo si usano condensatori ad alta capacità e alta energia contenibile (elettrolitici) con
condensatori per HF (ceramici) posti in parallelo al rettificatore. Il picco di periodo T ( se la rete è a 50 Hz si avrà
T=1/50) carica il condensatore che si scaricherà sul carico in un transitorio di tempo t=RC dove R è il carico. Per
allineare i peak è quindi necessario scegliere RC=t >> T in modo che la scarica del condensatore sia così lenta che al
tempo T il livello di Vo sia prossimo al peak del secondo ciclo.
Nel half-wave vale la formula : C = Vp/(Vr f R) dove Vp è il peak voltage, Vr è peak-to-peak ripple voltage ,f è la
frequenza di rete (50Hz,il trasformatore lascia la frequenza inalterata), R è il carico. Quindi anche la Vr = Vp/(C f R)
.La corrente approssimativa che passa nel diodo è data da Id av =Il (1+ (2Vp / Vr)) mentre la corrente massima nel
diodo nel momento di peak vale Imax=Il(1+2 (2Vp / Vr)).Per trovare la percentuale di conduzione del diodo su tutto
il ciclo si deve trovare la frequenza angolare  = 2f = 2 / T per cui la t= (2Vp / Vr) e la percentuale sarà %=100
t/2. Nel full-wave la frequenza di peak al condensatore è doppia quindi : C =Vp/(Vr 2f R) e quindi anche . Vr
=Vp/(C 2f R) e le formule di corrente cambieranno come :
Id av =Il (1+ (Vp /2 Vr)) e Imax=Il(1+2 (Vp / 2Vr)).
LIMITER e CLAMPING circuits
I limiter si basano sul fatto che finchè la tensione ai capi del diodo non supera la Vd=0.7-0.8 il diodo è in reverse e non conduce
,quindi non cortocircuita la linea, se la tensione ai capi, cioè il segnale di ingresso , supera il Vd, il diodo va in forword, si accende, e
cortocircuita la linea dando un output nullo. Sono esempi:
Vo
R
+
Vd
0.7
Vi
Vo
Vd
5V
Vo
R
+
+
Vd
Vo
Vi
Vi
S=1
Cioè Vi=Vo
R
5.7
Vo
Vi
Vi
S=1
Cioè Vi=Vo
0.7
-Vd
5V
Vo
Vi
S=1
Cioè Vi=Vo
Usando dei diodi zeener il range di limitazione va da – (Vd+Vz1) a +(Vd+Vz2) invece che -Vd(-0.7) a +Vd(+0.7). Un circuito
VC
il condensatore che tiene tale potenziale finche il diodo è in forword (cioè fino alla fine del
ciclonegativo in cui il generatore è chiuso sul condensatore dal diodo in forword ,quindi chiuso).
Quando la Vi diventa positiva il diodo va in reverse aprendosi e al potenziale Vs positivo si
aggiunge il potenziale del condensatore ,precedentemente caricato, così Vo= Vc+Vi.
+
Vi
Vo
D
-
clamped è del tipo in figura . Quando la Vi in regime square wave è negativa ,carica con tale potenziale
Il voltage doubler è formato da una parte clamp e da una parte rectifier e in regime PAS con +-Vp da in uscita una tensione continua
pari a 2Vp. Il circuito è in figura. La Vp(sin wt) oscilla tra +e- Vp. Il clamp,formato
rectifier
Dal diodo D e dal rispettivo C, sposta le oscillazioni tra 0 e –2Vp, il rettificatore,
formato dall’altro diodo e dall’altro C rettificano le oscillazioni, dando -2Vp
continua.
Vpsin
clamp
Vo=2Vp
D