Contenuti del corso
Parte I: Introduzione e concetti fondamentali
richiami di teoria dei circuiti
la simulazione circuitale con SPICE
elementi di Elettronica dello stato solido
Parte II: Dispositivi Elettronici
il diodo a giunzione
transistori ad effetto di campo (FETs)
il transistore bipolare (BJT)
Parte III: Circuiti amplificatori a transistori discreti
amplificatori a BJT e FETs
Il diodo a giunzione pn
• 2 terminali (bipolo): anodo (A), catodo (K)
• favorisce il passaggio di corrente nella direzione A K
simbolo del diodo
NA
ND
Applicazioni:
Metal contacts
• circuiti di alimentazione
• elaborazione dei segnali
• conversione energia elettrica luminosa (LED, celle solari)
• la struttura di transistori BJT e FET contiene giunzioni pn
Regione di carica spaziale (SCR)
• i gradienti di concentrazione danno
origine a correnti di diffusione
• lo spostamento di carica mobile
lascia carica fissa non bilanciata
regione di carica spaziale (SCR)
• il campo elettrico associato alla
SCR genera una corrente di drift che
bilancia la corrente di diffusione
SCR di dimensione finita wd0
• si crea un d.d.p. ai capi della
giunzione (n p) detto potenziale di
giunzione:
N N
kT
φ j = VT ln A 2 D , VT =
q
ni
wd 0 = ( xn + x p ) =
diodo a ginzione pn=giunzione pn+zone neutre+contatti
2ε s 1
1
φ j
+
q N A ND
Regione di carica spaziale (SCR)
Problema:
calcolare il potenziale di giunzione e l’ampiezza della SCR in un diodo a
temperatura ambiente con NA = 1017cm-3, ND =1020cm-3
Soluzione:
temperatura ambiente (T=300K)
kT 1.38⋅10−23 J/K ⋅ 300K
VT =
=
= 25.9mV
-19
q
1.6⋅10 C
ni (300K)≈10-10 cm-3
(
)(
N A ND
1017 cm-3 1020 cm-3
φ j = VT ln 2 = (0.0259V)ln
20
-6
n
10
cm
i
(
)
n2i≈10-20 cm-6
) = 1.01V
εS= εS,r ε0=11.8·(8.85·10-12 F/m)
−12 F/m
2ε s 1
2
⋅
11
.
8
⋅
8
.
85
⋅
10
1
1
1
φ =
w = q
+
+
⋅1 .01V = 115 nm
N
d0
N j
−
19
23
3
26
3
1.6 ⋅10
C
m
10 m
10
D
A
Regioni neutre
Problema: calcolare la resistenza complessiva RS delle regioni neutre in un
diodo al silicio di sezione S=(2 µm)2 con NA = 1017cm-3, ND =1020cm-3 e
lunghezze delle zone neutre pari a Lp=1µm, Ln=0.5µm rispettivamente.
Soluzione: le resistenze delle zone p ed n sono
R
p
= ρp
Lp
S
=
Lp
1 Lp
1 Lp
1
=
≈
σp S
qµ p p S
qµ p N A S
L
1 Ln
1 Ln
1
Ln
R = ρn n =
=
≈
n
S σn S
qµ n n S
qµ n N D S
dalle tabelle (curve) mobilità-drogaggio è
possibile ottenere i valori di mobilità
µ n (10 20 cm −3 ) = 67 .1 cm 2 V −1s −1
µ p (1017 cm − 3 ) = 331 .5 cm 2 V −1s −1
Lp
1
10 -6 m
R ≈
=
≈ 471Ω
p qµ p N A S 1.6 ⋅10 −19 C ⋅ 331.5 ⋅10 - 4 m 2 V −1s −1 ⋅10 23 m − 3 ⋅ 4 ⋅10 −12 m 2
Ln
1
0.5 ⋅10 -6 m
R ≈
=
≈ 1Ω
n qµ n N D S 1.6 ⋅10 −19 C ⋅ 67.1 ⋅10 - 4 m 2 V −1s −1 ⋅ 10 26 m − 3 ⋅ 4 ⋅ 10 −12 m 2
RS = R p + Rn ≈ 472 Ω
La giunzione pn all’equilibrio
vD=0
φj è in grado di erogare corrente?
La giunzione pn all’equilibrio
Le giunzioni metallo-semiconduttore ai contatti metallici creano a loro volta
un potenziale di giunzione complessivo pari a φj che compensa il potenziale
della giunzione pn in modo tale da rendere nulla la corrente.
diodo a ginzione pn=giunzione pn+zone neutre+contatti
La giunzione pn in polarizzazione inversa
Il campo elettrico nelle zone neutre
allontana i maggioritari dalla SCR
vD<0
• la giunzione è attraversata da una
piccola corrente inversa (la corrente di
drift prevale su quella di diffusione)
• aumento della SCR e della vj
• la caduta sulle zone neutre è trasculabile
e tutta la vD cade ai capi della SCR
vj=φj+vR
• ampiezza della SCR wd = wd 0 1 +
vR
φj
La giunzione pn in polarizzazione diretta
Il campo elettrico delle zone neutre
direziona i maggioritari verso la SCR
vD>0
• la giunzione è attraversata da una forte
corrente diretta (la corrente di diffusione
prevale su quella di drift)
• la caduta sulle zone neutre non è
trascurabile e quasi tutta la vD cade nelle
zone neutre
• modesta riduzione della SCR (wd≈wd0) e
della d.d.p. di giunzione vj≈φj
Caratteristica I-V ideale del diodo
0.1
corrente iD (A)
VD
ID
VD
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-1
VD
IS
n
VT
=
=
=
=
VD
nV
I D = I S e T − 1
-0.5
0
tensione v D (V)
0.5
tensione continua applicata al diodo (V)
corrente di saturazione inversa (10-18 ÷10-9 A)
coefficiente di emissone (n=1 caso ideale)
kT/q = tensione termica (25.9 mV a 300K)
• in un diodo ideale RS=0 (importante solo in polarizzazione diretta)
• la curva IV del diodo ideale rappresenta la curva IV di giunzione pn+contatti
• trascura gli effetti di breakdown in pol. inversa
1
Caratteristica I-V: forte polarizzazione diretta
VD
VD
nV
VD >> 0 → I D = I S e T − 1 ≈ I S e nVT
1≤n≤2
n=1 caso ideale
n≈2 per dispositivi con elevate densità di
corrente
I S [ A] = 10I S [B] = 100I S [C ]
Caratteristica I-V ideale del diodo
Polarizzazione nulla
(VD=0)
VD
nV
T
I D = I S e − 1 = I S (1 − 1) = 0
Forte polarizzazione inversa
(VD<<0)
VD
nV
T
I D = I S e − 1 ≈ I S (0 − 1) = − I S
10-18 A < IS <10-9 A
Caratteristica I-V ideale del diodo
Problema: Calcolare la corrente di un diodo con IS = 1 fA, n=1 e a
temperatura ambiente nei casi VD = -10V, -0.1V, 0.1V, 0.5V
VD = −10 V
VD = −0.1V
VD
−10
nV
−15
1⋅25 .9⋅10 −3
T
I D = I S e − 1 = 10 A e
− 1 = −10 −15 A
VD
− 0.1
nV
−15
1⋅25.9⋅10 −3
T
I D = I S e − 1 = 10 A e
− 1 = −0.97 ⋅10 −15 A
VD = 0.1V
VD
0.1
nV
−3
−15
1
⋅
25
.
9
⋅
10
T
− 1 = 46.5 ⋅10 −15 A
I D = I S e − 1 = 10 A e
VD = 0.5V
VD
0.5
nV
−15
1⋅25 .9⋅10 −3
T
I D = I S e − 1 = 10 A e
− 1 = 0.24 µA
Dipendenza dalla temperatura
VD
nV
I D = I S e T − 1
• pol. inversa
ID≈-IS
all’aumentare di T
• VT=kT/q
il termine entro parentesi
diminuisce all’aumentare di T
• IS∝ni2
aumenta
all’aumentare di T
fortemente
la corrente inversa aumenta
• pol. diretta: la dipendenza di IS domina e la corrente diretta
aumenta all’aumentare di T
Dipendenza dalla temperatura
corrente ID (V)
0.2
0.15
0.1
0.05
VD
nV
T
I D = I S e − 1
I S = 1pA n = 1
T=300K
T=325K
T=350K
0
-0.05
-0.2
-0.1
0
tensione VD (V)
0.1
0.2
• in pol. diretta la dip. da T è molto più forte a causa della maggiore
corrente
• coefficiente di temperatura (pol. diretta)del diodo a 300K
dVD / dT I ≈ - 2 mV/°C
D
Termometro a diodo
VPTAT = VD1 − VD 2 =
I D1
I D2
− VT ln
≈ VT ln
I S1
IS2
D1 e D 2 identici
=
kT I D1
∝ T
ln
q I D2
Es: T=295 K, ID1=250µA, ID2=50µA
VPTAT=40.9 mV
Caratteristica I-V reale del diodo: pol. diretta
Problema: calcolare ID con VD=10V (IS=1fA, T=300K)
Soluzione: ID=4.8x10152A !!!!
• con una simile corrente il diodo si fonderebbe a causa dell’effetto Joule
• nella pratica si osserva una corrente molto più bassa
corrente iD (A)
5 x 10
4
3
2
152
VD
nV
I D = I S e T − 1
1
0
9
9.2
9.4
9.6
tensione v D (V)
9.8
10
Caratteristica I-V reale del diodo: pol. diretta
E’ necessario tenere in considerazione la
resistenza complessiva delle regioni neutre (Rs)
V A = VD + RS I D
VA
se V A >> 0 ⇒ V A ≈ R S I D ⇒ I D ≈
RS
Es: VA=10V, IS=1nA, RS=100Ω
T=300K ID≈10/100=100mA
a
corrente iD (A)
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
La corrente è limitata
dalla RS e non cresce in
modo esponenziale
diodo ideale
diodo reale
0
2
4
6
tensione v A (V)
8
10
Caratteristica I-V reale del diodo: pol. inversa
L’aumento della tensione
inversa può portate il diodo
nella regione di rottura,
con un rapido incremento
della corrente del diodo. La
tensione in cui avviene la
rottura è detta tensione di
rottura (Zener) VZ
2V < VZ < 2000 V
Diodi progettati per operare
nella regione di rottura sono
chiamati diodi Zener
A
K
Caratteristica I-V reale del diodo: pol. inversa
Rottura per effetto valanga
Nei diodi al silicio con VZ superiore a 5.6 volts il processo di rottura è dovuto a un
meccanismo chiamato moltiplicazione a valanga.
Al crescere del campo elettrico, i portatori accelerati collidono con gli atomi fissi.
All’aumentare della polarizzazione inversa, l’energia dei portatori accelerati aumenta,
portando alla ionizzazione degli atomi colpiti. I nuovi portatori anch’essi accelerati
ionizzano altri atomi. Questo processo si autoalimenta e porta alla rottura per effetto
valanga.
Effetti capacitivi: capacità di giunzione
-
-
+
-
+
-
+
+
cambiamenti nella tensione inversa
portano a cambiamenti nella larghezza
della regione di svuotamento e nella
carica effetto capacitivo
Cj =
<0
εs A
wd
=
C j0
1+
vR
C j0 =
εsA
wd 0
φj
Es: vR=10V, NA = 1017cm-3, ND =1020cm-3 A=(100µm)2
φj≈1V, wd0 ≈ 100 nm, Cj0 ≈ 10 pF, Cj ≈ 3pF
La dipendenza della capacità dalla
tensione applicata viene usata in
diodi opportunamente ottimizzati
detti Varactor o Varicap.
Simbolo del diodo a capacità
variabile (Varactor)
Effetti capacitivi: capacità di diffusione
Un’ulteriore carica è immagazzinata
in prossimità delle regioni neutre +
adiacenti alla regione di carica
spaziale
Q D = I Dτ T
-
+
-
+
-
+
-
τT è il tempo di transito (10-15÷10-6s) e
dipende dalle dimensione e dal tipo di diodo
>0
La capacità associata (di diffusione) è quindi proporzionale alla corrente e
diventa abbastanza elevata per alte correnti (pol. diretta)
dQ D (I D + I S )τ T
Cd =
=
dv D
nVT
Es: τT = 10ns, calcolare la Cd per ID= 10µA, 0.8mA e 50mA
Cj=4pF, 320 pF, 20 nF.
Modello SPICE del diodo a giunzione pn
Sintassi:
D<name> <N+> <N-> <MNAME> [AREA]
. MODEL <MNAME> D [model parameters]
<MNAME> : nome del modello
[AREA]:
fattore di scala per alcuni parametri
Esempio:
D1 2 10 DIODE1
.MODEL DIODE1 D IS=1e-10
Diodo: modello in continua
RS: resistenza delle regioni neutre
VD
nV
T
I S e − 1 + VD GMIN
− I S + VD GMIN
ID =
− IBV
−( BVV +VD )
− I e T − 1 + BV
S
VT
VD ≥ −5nVT
− 5nVT > VD > − BV
VD = − BV
VD < − BV
GMIN è una conduttanza che
SPICE mette in parallelo ad
ogni giunzione (anche quelle dei
modelli dei transistori) per
aiutare la convergenza
Diodo: modello in continua
Sintassi:
D<name> <N+> <N-> <MNAME> [AREA]
. MODEL <MNAME> D [model params]
Parametro
Simbolo
Significato
IS
N
RS
IS
n
RS
Corrente di saturazione
Coefficiente di emissione
Resistenza delle regioni neutre
BV
BV
Tensione di rottura
IBV
IBV
Corrente alla tensione di rottura
Diodo: modello per ampi segnali
CD=Cj+Cd
Cj: capacità di giunzione
Cd: capacità di diffusione
C j = C j ( 0) / 1 − VD / φ j
m
ID + IS
Cd = τ D
nVT
Parametro
Simbolo
Significato
TT
τD
Tempo di transito
CJ0
Cj(0)
Capacità di giunzione a polarizzazione nulla
M
m
Coefficiente del profilo di drogaggio della
giunzione
I parametri IS, CJ0, RS, IBV sono proporzionali all’area del dispositivo e
sono scalabili attraverso il parametro AREA (default=1)
Esempi
Problema: plottare la curva I(V) di un diodo con IS=1pA nel range -0.5V÷0.5V
caratteristica IV di un diodo
VIN 1 0 DC 0
D1 1 0 Dmodel
.MODEL Dmodel D IS=1e-12
.DC LIN VIN -0.5 0.5 0.1mV
.PROBE
.END
Problema: plottare la curva I(V) di un diodo con IS=1pA nel
range -0.5V÷0.5V alle temperature di 300K, 325K, 350K.
caratteristica IV di un diodo al variare di T
VIN 1 0 DC 0
D1 1 0 Dmodel
.MODEL Dmodel D IS=1e-12
.DC LIN VIN -0.5 0.5 0.1mV TEMP LIST 300 325 350
.PROBE
.END
Analisi dei circuiti a diodi
V e R rappresentano in generale
l’equivalente Thévenin di un circuito più
complesso.
punto di lavoro del diodo Q = (ID, VD)
V = I D R + VD
V = VR + VD
IR = ID
I R = f R (V R ) = V R / R
VVD
T
I D = f D (V D ) = I S e − 1
• le prime due sono le leggi di Kirckoff e sono
imposte dalla topologia della rete
• le seconde due sono le relazioni IV di R e D
VVD
T
I D = I S e − 1
Metodi di risoluzione:
• analitico (numerico)
• grafico
• con modelli approssimati del diodo
Risoluzione grafica
V − VD
R
VVD
T
I D = I S e − 1
ID =
Problema: Individuare il punto Q
Dati noti: V = 10 V, R = 10kΩ.
VD = 0 → I D = (10V 10kΩ ) = 1 mA
VD = 5V → I D = (5V 10kΩ ) = 0.5 mA
Punto Q = (0.95 mA, 0.6 V)
Analisi con modelli approssimati
Nel caso di circuiti con più diodi i metodi precedenti diventano troppo laboriosi.
In tali casi è possibile avere una stima del risultato utilizzando modelli
approssimati per il diodo.
corrente iD (A)
0.1
0.08
0.06
0.04
diodo ideale
diodo reale
0.02
0
0
Von
2
4
6
tensione v A (V)
8
10
•la caratteristica reale di un diodo approssima un andamento “lineare a tratti”
•nel modello approssimato è possibile definire una tensione di accensione (o di soglia) Von
•la corrente è approssimativamente nulla per VA<<Von e cresce linearmente per VA>>Von
•nell’intorno di Von (≈0.5÷0.8V) il modello perde di accuratezza e non ha senso parlare di soglia
Analisi con modelli approssimati
in pol. diretta
V A = VD + I D RS ≈ I D RS
VD
VVD
V
I D = I S e T − 1 ≈ I S e T
V A ≈ I S RS e
VD
VT
V
⇒ V D ≈ VT ln A
RS I S
1
• in pol. diretta VD non cambia
apprezzabilmente al variare di VA
tensione VD (V)
0.8
• dipende da RSIS
0.6
0.4
-15
IS=10 A
-13
IS=10 A
0.2
-11
IS=10 A
RS=100Ω
0
0
20
• una buona stima di Von si può
ottenere per VA=10V
IS=10-9A
40
60
tensione VA (V)
80
100
Von
VA
≈ VT ln
RS I S
Analisi con modelli approssimati
ID
ID
VD
ID
1/RS
Von
VD
VD
Modello del diodo ideale
ID
VD
VD =0 per iD≥0 pol. diretta (ON)
ID =0 per vD ≤ 0 pol. inversa (OFF)
nel punto (VD=0, ID=0) il diodo è
contemporaneamente
• OFF
• ON con corrente nulla
Metodologia di analisi:
1. ipotesi (Hp) sullo stato del diodo
2. risoluzione della rete
3. verifica della ipotesi 1
•
se Hp=D-ON bisogna verificare SE ID≥0
•
se Hp=D-OFF bisogna verificare SE VD≤0
Modello del diodo ideale (esempio)
1. dato che il generatore tende a forzare
una corrente positiva nel diodo,
supponiamo che il diodo sia ON.
1. dato che il generatore tende a forzare
una corrente inversa nel diodo,
supponiamo che il diodo sia OFF.
2. risoluzione della rete
2. risoluzione della rete
VD = −10 V
ID =
(10 − 0) V
= 1 mA
10 kΩ
3. I D = 1 mA ≥ 0 ⇒ Hp OK
3. VD = −10 V ≤ 0 ⇒ Hp OK
Punto Q = (0, -10 V)
Modello a caduta di tensione costante
ID
Esempio
VD
VD = Von per ID≥0 pol. diretta (ON)
ID = 0 per VD ≤ Von pol.inversa (OFF)
Metodologia di analisi:
1. ipotesi (Hp) sullo stato del diodo
2. risoluzione della rete
3. verifica della ipotesi 1
•
se Hp=D-ON bisogna verificare SE ID≥0
•
Se Hp=D-OFF bisogna verificare SE VD≤Von
(10 − 0.6) V
=
10 kΩ
= 0.940 mA ≥ 0 ⇒ Hp OK
ID =
Modello a caduta di tensione costante e resistenza
ID
1/RS
Von
VD = Von+RSID
ID = 0
Esempio
VD
per ID≥0
pol. diretta (ON)
per VD ≤ Von pol.inversa (OFF)
Metodologia di analisi:
1. ipotesi (Hp) sullo stato del diodo
2. risoluzione della rete
3. verifica della ipotesi 1
•
se Hp=D-ON bisogna verificare SE ID≥0
•
Se Hp=D-OFF bisogna verificare SE VD≤Von
(10 − 0.6) V
=
10 .1kΩ
= 0.93 mA ≥ 0 ⇒ Hp OK
ID =
Analisi di circuiti a più diodi
Problema: determinare Q1 e Q2 utilizzando il modello del
diodo ideale.
• 4 possibili stati
• il generatore di tensione da 15V tende a polarizzare
direttamente D1 e D2, mentre quello da -10V tende a
polarizzare direttamente D2 e inversamente D1.
• Hp = D1-ON, D2-ON
• risoluzione della rete:
(15 − 0) V
= 1.5 mA
10 kΩ
0 − (− 10 V )
ID2 =
= 2 mA ≥ 0
5kΩ
I1 = I D1 + I D 2 ⇒ I D1 = (1.5 − 2) mA = −0.500 mA < 0
I1 =
• Hp NON verificate (contemporaneamente)
• la verifica della Hp su D2 non implica che è
corretta singolarmente.
Analisi di circuiti a più diodi
Il secondo tentativo può partire dai risultati del primo:
Hp D1-OFF, D2-ON
25V
=1.67 mA ≥ 0
I D2 = I1 =
15×103Ω
V =15V −1.67 ⋅10− 3A ×104Ω =
D1
= (15 −16.7)V = −1.67 V ≤ 0
Hp OK
D1 : (0 mA, -1.67 V):OFF
D2 : (1.67 mA, 0 V) :ON
Analisi di diodi polarizzati nella regione di rottura
In condizioni di rottura il diodo
può essere rappresentato da un
generatore di tensione, VZ, con
una resistenza in serie, RZ.
L’ipotesi di funzionamento in zona di
rottura risulta verificata se IZ ≥ 0
Analisi di diodi polarizzati nella regione di rottura
analisi col modello approssimato
Hp: D in breakdown
risoluzione grafica
Q: (-2.9 mA, -5.2 V)
IZ =
(20 − 5)V
= 2.94 mA ≥ 0 ⇒ Hp OK
5100Ω
Circuiti limitatori
analisi con il modello a caduta costante
• la serie del diodo e VR può essere
vista come un diodo con V’on=Von+VR
• vin≤ V’on D-OFF vout = vin
Caratteristica di trasferimento (in(in-out)
v in
2
v out
3
2
0
-2
0
Vout (V)
amplitude (V)
• vin≥ V’on D-ON vout = V’on
V’on=2V
0.2
0.4
0.6
time (ms)
0.8
1
supponiamo che vin sia sufficientemente lento
in modo tale da trascurare le capacità del diodo
1
0
-1
-2
-3
-3
-2
-1
0
Vin (V)
1
2
3
Circuiti limitatori
analisi con il modello a caduta costante
+
vD
+
vin
• la serie del diodo e VR può essere vista
come un diodo con V’on=Von-VR
vout
• -vin≤ V’on D-OFF vout = vin
VR
-
• -vin≥ V’on D-ON vout = -V’on
Caratteristica di trasferimento (in(in-out)
v out
2
3
2
0
-2
0
Vout (V)
amplitude (V)
v in
V’on=2V
0.2
0.4
0.6
time (ms)
0.8
1
supponiamo che vin sia sufficientemente lento
in modo tale da trascurare le capacità del diodo
1
0
-1
-2
-3
-3
-2
-1
0
Vin (V)
1
2
3
Circuiti limitatori
analisi con il modello a caduta costante
• la serie di D1 e VR1 può essere vista come un
diodo con V’on1=Von1+VR1
• la serie di D2 e VR2 può essere vista come un
diodo con V’on2=Von2-VR1
• vin≤ -V’on2
D1-OFF/D2-ON
•-V’on2 ≤ vin≤V’on1 D1-OFF/D2-OFF
• vin≥V’on1
D1-ON/D2-OFF
Caratteristica di trasferimento (in(in-out)
v out
2
3
0
-2
0
2
Vout (V)
amplitude (V)
v in
vout = -V’on2
vout = vin
vout = V’on1
V’on1= V’on1 =2V
0.2
0.4
0.6
time (ms)
0.8
1
supponiamo che vin sia sufficientemente lento
in modo tale da trascurare le capacità del diodo
1
0
-1
-2
-3
-3
-2
-1
0
Vin (V)
1
2
3
Esempio SPICE
Problema: dato il circuito di figura con VR1=3V, VR2=2V, R1=1kΩ, ΙS=1pA
• simulare la risposta temporale ad un ingresso sinusoidale (ampiezza 5V,
freq=1kHz)
• simulare la caratteristica in-out per -5≤VIN≤5
circuito limitatore a diodi
VIN 1 0 DC 0 SIN(0 5 1e3)
R1 1 2 1e3
D1 2 3 Dmodel
VR1 3 0 DC 3
D2 4 2 Dmodel
VR2 4 0 DC 2
.MODEL Dmodel D IS=1e-12
.TRAN 1e-5 2e-3
.DC LIN VIN -5 5 0.1
.PROBE V(1) V(2)
.END
Raddrizzatori e regolatori a diodi
• utilizzati negli alimentatori per convertire la tensione di rete alternata da
230Vrms-50Hz in tensioni continue per alimentare i dispositivi elettronici.
• un raddrizzatore converte una tensone alternata (ac) a valor medio nullo in
una tensione a valor medio diverso da zero.
• un filtro provvede a ridurre le ondulazioni in uscita al rettificatore
• il regolatore provvede a stabilizzare la tensione in uscita
Raddrizzatore a semionda
analisi con il modello ideale
Hp D-ON
•lo stato del diodo varia nel
tempo e il diodo si trova in
ognuna delle regioni del
modello lineare a tratti solo per
un intervallo di tempo limitato
• supponiamo che vS sia
sufficientemente lento in modo
tale da trascurare le capacità del
diodo
vO = vS
iD = iR =
Hp D-OFF
vO = 0
vS
>0⇒
R
Hp OK
v D =v S ≤ 0 ⇒
Hp OK
Raddrizzatore a semionda
analisi con il modello a caduta costante
• D ON solo quando vS≥Von
vO=vS-Von
• D OFF solo quando vS≤Von
amplitude (V)
vS
vO
2
Von
0
-2
0
0.5
1
time (ms)
1.5
2
vO=0
Raddrizzatore con filtro capacitivo
analisi semplificata senza carico (R→∞)
vO (0) = 0
t ≤ t1
Hp : D - OFF
vD = vS − vO = vS ≤ Von ⇒ Hp OK
t1 ≤ t ≤ T / 4
Hp : D - ON
iD = C
t ≥T /4
Hp : D - OFF
dvO
d (vS − Von )
dv
=C
= C S ≥ 0 ⇒ Hp OK
dt
dt
dt
vD = vS − (VP − Von ) ≤ Von ⇒ Hp OK
vO = 0
vO = vS − Von
vO = VP − Von
Raddrizzatore con filtro capacitivo
analisi con carico
vD
-
+
R
C
vS
+
vO
-
vO ( 0 ) = 0
t ≤ t1
Hp : D - OFF
v D = v S − vO = v S ≤ Von ⇒ Hp OK
t1 ≤ t ≤ T / 4
Hp : D - ON
iD = C
dv O vO
+
=
dt
R
dv S v S − Von
+
≥ 0 ⇒ Hp OK
dt
R
dv
v S − Von
t = t 2+
C S <0
>0
dt
R
dv
v − Von
t = t 2'
iD = C S + S
=0
dt
R
(RC → ∞ )
Assumiamo t 2' − t 2 ≈ 0
=C
(
vO = v S − Von
D - ON
D - OFF
)
vO t − t 2 ≈ (VP − Von )e
t 2 ≤ t ≤ t3
D - OFF
t = t3
v D = v S − vO = Von ⇒
vO = v S − Von
D - ON
−
t −t2
RC
vO = v S − Von
Raddrizzatore con filtro capacitivo
analisi con carico
vD
+
C
+
vO
-
R
vS
Vr = (VP − Von ) − (VP − Von )e
La tensione di uscita contiene ondulazioni
residue di ampiezza Vr (tensione di ripple)
Vr può essere ridotta facendo RC>>T
se ∆T<<T
T
Vr ≈ (V p − Von )
RC
−
T − ∆T
RC
T − ∆T
−
RC
= (VP − Von )1 − e
T − ∆T
Vr ≈ (V p − Von )
RC
e− x ≈ 1 − x
x <<1
=
Esempio SPICE
Problema: simulare la risposta temporale, ad un ingresso sinusoidale (ampiezza
10V, freq=1kHz), di un raddrizzatore a diodo (IS=1pA) con filtro capacitivo,
R=1kΩ e al variare di C= 100nF, 1µF, 10 µF.
raddrizzatore con filtro capacitivo
.PARAM C1val=10u
VS 1 0 DC 0 SIN(0 10 1e3)
D1 1 2 Dmodel
.MODEL Dmodel D IS=1e-12
C1 2 0 {C1val}
RL 2 0 1e3
.TRAN 1e-5 2e-3
.STEP PARAM C1val LIST 100n 1u 10u
.PROBE V(1) V(2)
.END
Regolatore di tensione a diodo Zener
Regolatore di tensione: circuito che mantiene la tensione su un carico
costante a partire da una tensione di ingresso di valore diverso.
vS(t): segnale di ingresso variabile
RL: carico
se vS(t) è tale da polarizzare sempre DZ in breakdown
vL(t) rimane costante anche se vS(t)
varia
Regolatore di tensione a diodo Zener
Condizione di regolazione:
regolazione: iZ≥0
Hp DZ in breakdown
iZ = iS − i L =
v S − VZ VZ
−
≥0
R
RL
R
R
≥
= RL min
L v
S
−
1
V
Z
vS ≥ VZ 1 + R = vS min
R
L
Regolatore di tensione a diodo Zener
Condizione di regolazione:
regolazione: iZ≥0
RZ≠0
iL
R
vS
iS
iZ
+
VZ
RL v L
-
vS VZ
+
R RZ
v =
L 1 1
1
+
+
R RZ RL
RL ≥
RZ
v −V
i = L Z ≥0
Z
R
Z
R
vS
− 1
VZ
= RL min
• la tensione di uscita risulta funzione di vS e RL
• regolazione di linea:
1
dVL
R // RZ // RL
R
=
=
dVS 1 + 1 + 1
R
R RZ RL
• per valori bassi di RZ, la variazione della VL è modesta
Regolatore di tensione a diodo Zener: Esempio
Hp: DZ in breakdown
IS =
VS −VZ
R
VZ
=
(20 − 5)V
= 3 mA
5kΩ
5V
=1 mA
RL 5kΩ
I Z = I S − I L = 2 mA ≥ 0 ⇒
IL =
=
Hp OK
Condizione di regolazione
RL ≥
R
VS
VZ
−1
=R
=1.67kΩ
L, min
Regolatore di tensione a diodo Zener: Esempio
RZ≠0
Hp: D in breakdown
VS VZ
+
R RZ
V =
= 5.19 V
L 1 1
1
+
+
R RZ RL
V −V
5.19V − 5V
I = L Z =
= 1.9 mA ≥ 0
Z
R
100Ω
Z
Hp OK
Esempio SPICE
Problema: Simulare il punto di lavoro e la caratteristica VRL(VS) per 0≤VS
≤20V e RL=1kΩ, 2kΩ, 5kΩ.
1
2
regolatore con diodo zener
.PARAM Rval=5e3
VS 1 0 DC 20
R1 1 2 5e3
DZ 0 2 Dmodel
RL 2 0 {Rval}
.model Dmodel D BV=5
.OP
.DC VS 0 20 0.1
.STEP PARAM Rval LIST 1e3 2e3 5e3
.PROBE V(1) V(2)
.END
0
Diodo Schottky
• una delle regioni di semiconduttore del diodo a
giunzione pn viene sostituita da un metallo:
tipicamente la regione p
• il contatto metallo-seminconduttore n ha le
caratteristiche del diodo ed è detto rettificante
• per evitare la creazione di un contatto rettificante
al catodo si crea una regione molto drogata n+.
Tale contatto è detto ohmico. Questa tecnica è
usata in genere nei dispositivi elettronici.
• i diodi Schottky entrano in
conduzione a tensioni minori
rispetto a diodi a giunzione pn
• la carica immagazzinata in
polarizzazione diretta è molto
minore
applicazioni veloci (alta
frequenza)
Layout del diodo a giunzione
• su un substrato debolmente drogato vengono realizzate, in modo
selettivo, regioni con drogaggio differente
• le zone di semiconduttore sono collegate all’esterno con contatti di
metallo (tipicamente Al)
• le zone di contatto sono separate tra loro con regioni di ossido
(tipicamente SiO2)
• per evitare la creazione di contatti rettificanti alle giunzioni metallosemiconduttore n, si creano delle zone drogate n+ (contatto ohmico)
• i contatti metallo-semiconduttore p sono generalmente di tipo ohmico
Fotodiodi
se la SCR di un diodo a giunzione pn viene
illuminata da una radiazione a frequenza
sufficientemente elevata, i fotoni possono fornire
energia sufficiente affichè alcuni elettroni passino
dalla banda di valenza a quella di conduzione
generando coppie elettrone-lacuna e una
fotocorrente iPH
Fotodiodi
• nei fotorivelatori, il diodo è in
polarizzazione
inversa
per
aumentare la larghezza della SCR
ovvero il numero di coppie e-h e la
fotocorrente iPH.
• il punto di lavoro è fissato dalla
batteria VB e da RL.
• Vout=iPH RL
Applicazioni: fotorivelatori, compact disk,....
Celle solari
• fotodiodi di larga area e con
illuminazione costante IPH è costante
• l’obiettivo è quello di estrarre potenza
dalla cella, ovvero ICVC deve essere
positivo
• la cella dovrebbe operare in prossimità
della massima potenza di uscita Pmax.
Diodi emettitori di luce (LED)
I diodi emettitori di luce (LEDs)
utilizzano processi di ricombinazione
nella SCR per produrre luce.
EC
h =EG
EG
EV
Semiconduttore Colore
AlGaAs
rosso , infrarosso
GaAlP
verde
GaAsP
rosso, arancione, giallo
GaN
verde, blu
GaP
rosso, giallo e verde
InGaN
blu-verde, blu
InGaAlP
rosso-arancione,
arancione, giallo e verde
Fogli tecnici (datasheets)
Fogli tecnici (datasheets)
Fogli tecnici (datasheets)
Fogli tecnici (datasheets)
Fogli tecnici (datasheets)
