Diode semiconductoare - Diode redresoare

PROIECT PENTRU OBTINEREA

CERTIFICATULUI DE CALIFICARE

Calificare: Tehnician in telecomunicatii

Tema proiect: Diode semiconductoare.

Diode redresoare

Cuprins

Argument 4

Jonctiunea pn    6

Jonctiunea p-n libera (nepolarizata) 6

Jonctiunea p-n in polarizare directa 8

Jonctiunea p-n si polarizarea inversa 10

Tipuri de diode semiconductoare 12

Diode redresoare cu jonctiune 14

Parametrii principali ai diodelor redresoare 14

Caracteristica curent-tensiune    15

Tipuri si particularitati constructive    17

Utilizari    18

Platforma pentru studiul diodelor redresoare 19

Schema electrica 19

Componente, aparate    20

Functionarea si verificarea parametrilor    20

Bibliografie 22

ARGUMENT

Electronica este astazi principalul "generator de progres tehnic" in contextul industrial al tarilor dezvoltate, contribuind in mod hotarator la cresterea productivitatii muncii, la ridicarea calitatii produselor, la introducerea in fabricatie a tehnologiilor noi, la perfectionarea metodelor de conducere si de organizare a productiei etc.

Pentru realizarea proiectului scris am apelat la cunostintele noi transmise in cadrul modulelor:

v     Retele si sisteme de transmisiuni pentru radiocomunicatii,

v     Elemente de proiectare,

v     Tehnici si sisteme de radiocomunicatii,

v     Tehnici si sisteme de comutatie,

v     Sisteme si tehnologii de fabricatie,

v     Exploatarea si intretinerea retelelor de telecomunicatii si nu in ultimul rand la notiunile fundamentale teoretice predate in cadrul disciplinelor ce fac parte din trunchiul comun: Matematica si Fizica.

Cresterea gradului de complexitate al sistemelor de telcomunicatii si de automatizare impuse de modernizarea structurilor, simultan cu aplicarea interdisciplinara a domeniilor tehnice specializate au condus la studierea atenta a bibliografiei recomandate pentru realizarea proiectului, conform cuprinsului precizat de catre indrumatorul de proiect.

Cunoasterea valorilor parametrilor sistemelor si subsistemelor este o conditie obligatorie in toate etapele utilizarii mijloacelor electronice.

Proiectarea, utilizarea acestora avand ca scop cresterea eficientei utilizarii acestora, simultan cu asigurarea compatibilitatii si fiabilitatii utilizarii acestora in domenii de interes civil.

Utilizarea corespunzatoare a bibliografiei materialelor si instrumentelor de lucru, acuratetea reprezentarilor tehnice, modul de organizare a ideilor si materialelor au fost elemente ce m-au condus la realizarea proiectului.

Proiectul a fost realizat ca urmare a dezvoltarii unor abilitati practice si creative privind tipul de circuite electronice din echipamentele de automatizare si de telecomunicatii in urma cunoasterii rolului functional al acestora, a modalitatilor de reprezentare grafica si simbolica a elementelor componente in schemele electrice de principiu din compunerea instalatiilor de automatizare si de telecomunicatii si a documentatiei tehnice aferenta acestora.

Asimilarea unor tehnici de munca individuale, colaborarea in echipa si ierarhic pentru indeplinirea responsabilitatilor individuale si colective au fost elemente care au condus la realizarea la timp a proiectului si la aprecierea sper pozitiva a acestuia de catre profesorul indrumator de proiect.

JONCTIUNEA P-N

Daca intr-un acelasi cristal se creeaza prin impurificare, de o parte si de alta a unei suprafete separate, doua regiuni de tip opus- una p si cealalta n - se spune ca s-a obtinut o jonctiune p-n. Aceasta jonctiune nu se poate obtine prin alipirea a doua regiuni impurificate de tip p si respectiv n, deoarece metodele tehnologice actuale nu permit inca o alipire care sa dea intre cele doua regiuni distante mai mici decat o anumita dimensiune (10 "la puterea -10"). In aceste conditii fenomenele de trecere dintr-o zona in alta a purtatorilor de sarcina ar fi impiedicate, cele doua regiuni ramanand astfel izolate.

Studiul jonctiunii p-n se face in trei situatii: considerand jonctiunea libera (nepolarizata), aplicandu-i-se o tensiune de polarizare directa si in cazul unei polarizari inverse.

Jonctiunea p-n libera (nepolarizata)

Examinand fenomenele ce apar in cazul unei jonctiuni p-n, careia nu i se aplica tensiunea exterioara (fig 3.1), se constata intial ca purtatorii majoritari (goluri- in regiunea p si electroni in regiunea n) au tendinta de a trece din propria lor regiune (cu concentratie mare) in regiunea vecina (cu concentratie scazuta). In regiunea alaturata purtatorii intalnesc purtatori de tip opus cu care se recombina neutralizandu-se reciproc. In felul acesta, de o parte si alta a suprafetei de separate se formeaza o regiune "saracita" de sarcini libere numita regiune de trecere, avand o latime de ordinul micronilor.

Datorita deplasarii purtatorilor majoritari, prin regiunea de trecere ia nastere un curent de difuzie avand doua componente de goluri care se deplaseaza de la p la n, si de electroni, care se deplaseaza de la n la p, ambii curenti avand sensul de la p la n.

Prin plecare purtatorilor majoritari, de o parte si de alta a suprafetei de separate raman atomi ionizati necompensati electric de sarcina contrara purtatorilor plecati: pozitiva in regiunea n, negative in regiunea p. Intre aceste zone incarcate cu sarcini de sens contrar ia nastere un camp electric indreptat de la zona pozitiva din n spre zona negative din p. Aceasta actioneaza ca o bariera asupra purtatorilor majoritari, impiedicandu-i sa mai inainteze, actiunea fiind echivalenta cu a unui condensator incarcat, avand la borne o anumita diferenta de potential. Valoarea "potentialului" echivalent este de ordinul catorva zecimi de volt (0,2-0,7 V).

Sensul de actiune a campului impiedica circulatia curentilor de difuzie dati de purtatorii majoritari, dar favorizeaza in schimb deplasarea purtatorilor minoritari (goluri din regiunea n, electronii din regiunea p).

Iau astfel nastere doi curenti de camp cu sens opus curentilor de difuzie. La echilibrul termic transportul efectiv de purtatori inceteaza, curentul de difuzie fiind egal cu curentul de camp pntru fiecare tip de purtatori in parte.

In consecinta, in cazul jonctiunii pn libere, dupa o miscare initiala de purtatori majoritari, intr-un sens (curent de difuzie) si minoritari, in sens opus (curent de camp), se realizaza un echilibru electric, in care jonctiunea prezinta doua zone neutre, de tip p, respective n separate printr-o zona "de bariera", situate de o parte si de alta a suprafetei de separate, caracterizata printr-un anumit potential de bariera (U0), specific tipului de semiconductor folosit, si prin sarcina spatiala, datoria atomilor de impuritate ionizati (pozitiv in semiconductorul n si negative in semiconductorul p).

Jonctiunea p-n in polarizare directa

Daca la extremitatile unei jonctiuni pn se aplica o sursa exterioara cu polul pozitiv in regiunea P si cel negative pe regiunea n, se spune ca jonctiunea pn este polarizata direct.

Sursa aplicata este de sens contrar potentialului de bariera, astfel incat favorizeaza difuzia, determinand cresterea curentilor de difuzie si aparitia unui curent in circuitul exterior. Datorita aplicarii polaritatii directe, latimea zonei de bariera "se micsoreaza". Cu cat diferenta U0 - EA va fi mai mica, cu atat intensitatea curentului de difuzie va avea valori mai importante (mA-A).

Diferenta U0-EA reprezinta o bariera de potential echivalenta de valoare mai mica. Se mentioneaza ca valoarea curentilor de camp la o temperatura data ramane practic constanta, numarul lor nedepinzand de tensiunea exterioara aplicata, ci de energia (temperatura) care i-a determinat.

Datorita numarului mare de purtatori majoritari antrenati in curentul de difuzie, sarcinile in exces reprezentate de purtatorii minoritari, aflati de o parte si de alta a zonei de trecere, constituie o capacitate echivalenta, numita capacitate de difuzie. Purtatorii minoritari ai fiecarei zone reprezinta atat cei aparuti datorita temperaturii, cat si purtatorii majoritari ai zonei vecine; care, trecand prin difuzie de zona, de bariera, au devenit purtatori minoritari.

Jonctiunea p-n polarizata direct

Sarcina acumulata este cu atat mai mare cu cat curentul care circula prin jonctiune este mai mare, deci capacitatea de difuzie este direct proportionala cu curentul direct la jonctiune.

In consecinta, printr-o jonctiune pn polarizata direct trece un curent indreptat dinspre regiunea p inspre regiunea n, dat de purtatorii majoritari.

Jonctiunea p-n si polarizarea inversa

Daca la extremitatile unei jonctiuni pn se aplica o sursa exterioara cu polul negative pe regiunea p si cel pozitiv pe regiunea n, se spune ca jonctiunea pn este polarizata invers.

Tensiunea de polarizare inversa are in acest caz acelasi sens cu potentialul intern echivalent zonei de trecere. Se poate considera ca "bariera de potential" creste ca urmare a polarizarii inverse. Curentii de difuzie, dati de purtatorii majoritari nu pot depasi aceasta "bariera" si deci in aceasta situatie se reduc curentii de difuzie pana la anulare. Sensul campului creat in zona de bariera permite insa trecerea purtatorilor minoritari sub forma curentilor de camp, golurile regiunii n dirijandu-se spre regiunea p si electronii din p spre n.

Valoarea curentului nu depinde, in anumite limite, de tensiunea de polarizare, de aceea curentul rezultat prin jonctiune coincide practic cu suma curentilor de camp, el purtand numele de curent de saturatie.

Jonctiunea p-n polarizata invers

Datorita faptului ca la aplicarea tensiunii inverse grosimea regiunii de trecere create, se poate considera ca, in capacitatea echivalenta de bariera pe care aceasta zona o prezinta, o data cu cresterea tensiunii aplicate pe armatura, creste si distanta dintre placi. Deoarece intensitatea curentului invers este mult mai mica decat cea a curentului direct, jonctiunea pn are proprietatea de conductibilitate preferential intr-un anumit sens. Ea poarta numele de diode cu jonctiuni. Aceasta proprietate este specifica jonctiunii pn si nu semiconductoarelor in general.

TIPURI DE DIODE SEMICONDUCTOARE

Dioda semiconductoare este un dispozitiv electronic constituit dintr-o jonctiune pn prevazuta cu contacte metalice la regiunile p si n si introdusa intr-o capsula din sticla sau metal

Regiunea p a jonctiunii constituie anodul diodei, iar jonctiunea n, catodul

Dioda semiconductoare se caracterizeaza prin conductivitate unidirectionala, ca si dioda cu vid

• 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).

Ele functioneaza datorita proprietatii de a se comporta diferit la tensiuni de polarizare directe si tensiuni de polarizare inverse. Astfel la tensiuni de polarizare directe rezistenta directa este foarte mica iar la polarizarea inversa rezistenta inversa este foarte mare.

Datorita acestei proprietati ca la aplicarea unei tensiuni alternative ele functioneaza pe alternanta pozitiva conducand un curent mare (de ordinul mA sau A). Pe alternanta negativa se vor bloca lasand sa treaca curenti foarte mici de ordinul mA sau mA care pot fi neglijati.

Acest proces de transformare a unui semnal alternativ intr-un semnal continuu poarta numele de redresare. Aceste diode sunt folosite la constructia redresoarelor care lucreaza cu semnale mari si frecvente mici (50Hz )

Clasificare

• Dupa materialul din care se realizeaza:

dioda cu germaniu

dioda cu siliciu

• Dupa caracteristicile jonctiunii:

dioda redresoare

dioda stabilizatoare de tensiune (dioda Zener)

dioda de comutatie

dioda cu capacitate variabila (varactor sau varicap)

dioda tunel

dioda diac

dioda Gunn

DIODE REDRESOARE CU JONCTIUNE

3.1. Parametrii principali ai diodelor redresoare

Performantele unei diode redresoare sunt caracterizate prin doua marimi limita, care nu trebuie sa fie depasite in timpul functionarii:

- intensitatea maxima a curentului direct (I max)

- tensiunea inversa maxima (U inv max)

Tensiunea inversa maxima se alege astfel incat dioda sa nu intre in regiunea de strapungere a caracteristicii inverse. Depasirea oricareia dintre marimile limita duce la cresterea excesiva a curentului prin diode, la supraincalzirea ei si la distrugerea jonctiunii sau chiar a cristalului.

In timpul conductiei, datorita curentului de difuzie, jonctiunea se incalzeste. Puterea disipata pe diode se poate calcula cu formula:

Pd=Id x Ud,    in care: Id- este curentul direct;

Ud- tensiunea de polarizare directa.

Schema echivalenta a unei diode semiconductoare contine: o rezistenta de conductive (Ri) si cele doua capacitate ale regiunii de trecere: capacitate de difuzie(Cd) si cea de bariera(Cb).

In regim de conductie capacitatea de difuzie este mult mai mare decat cea de bariera, iar in polarizare inversa Cb > Cd; in general, capacitatea echivalenta este egala cu suma celor doua capacitate.

In cazul cand frecventa semnalului aplicat creste, reactanta capacitatii echivalente devine din ce in ce mai mica in comparatie cu rezistenta de conductive a diodei, pe care o scurtcircuiteaza. In felul acesta dioda nu mai poate redresa curentul alternativ de frecvente inalte, nemaiputand indeplini operatia de detective.

3.2. Caracteristica curent-tensiune

Daca se traseaza grafic variata curentului ce se obtine printr-o jonctiune atunci cand se varieaza tensiunea aplicata la borne, se spune ca se ridica o caracteristica de tip curent- tensiune.

a.      In regiunea polarizarii directe (u > 0)

La aplicarea tensiunii de polarizare directa nu se inregistreaza curent in circuit pana ce tensiunea nu atinge un prag, numit "de deschidere", avand valori mici (0,2 - 0,4 V pentru Ge; 0,4-0,8 V pentru Si).

Peste aceasta valoare, curentul creste foarte rapid cu tensiunea si, exceptand zona initiala, putem considera cu oarecare aproximatie, ca aceasta dependent este liniara (cvasi-liniara).

Deoarece pentru tensiuni relative mici (<1V) se pot obtine curenti mari (0,1-1 A), se spune ca, in polarizarea directa diodele prezinta o rezistenta foarte mica (fractiuni sau unitati de Ohmi).

b.      In regiunea polarizarii inverse ( u < 0 )

La aplicarea unor tensiuni de polarizare inversa, apar curenti inversi de valoare foarte mica. Pentru o mica zona din alura caracteristicii se poate considera, cu oarecare aproximatie, ca valoarea curentului nu depinde de tensionarea aplicata, ci de temperatura mediului ambient. La Ge el are o valoare de ordinul micro-amperilor, iar la Si de ordinul nano- amperilor, aceasta diferenta datorandu- se latimii diferite a benzilor interzise de cele doua semiconductoare. Acest curent se dubleaza la fiecare crestere a temperaturii cu 7,5 grade Celsius la Ge si cu 6,5 grade Celsius la Si.

Marind in continuare valoarea tensiunii inverse aplicate, se observa ca peste o anumita valoare, numita tensiune de strapungere, curentul invers, incepe sa creasca brusc, nu mai poate fi limitat cu ajutorul tensiunii aplicate si, daca nu se modifica rezistenta circuitului exterior poate, duce la distrugerea jonctiunii prin efect termic.

Explicatia acestei caracteristici o constituie doua fenomene ce se desfasoara in conditiile unor tensiuni inverse mari: multiplicare in avalansa a purtatorilor si efectul Zener. Multiplicarea in avalansa a purtatorilor este un fenomen asemanator descarcarii in avalansa dintru- un tub cu gaz. Datorita tensiunii mari aplicate se creeaza un camp electric intens, ceea ce face ca un electron din curentul de camp sa capete suficienta energie pentru a putea ioniza un atom prin ciocnire.

Efectul Zener consta din actiunea campului electric intens, dat de cresterea tensiunii de polarizare inversa, peste anumite valori limita aspura electronilor de valenta, avand drept consecinta formarea de perechi electroni-goluri.

Caracteristici ale jonctiunii p-n (a. in polarizare directa, b. in polarizare inversa)

3.3. Tipuri si particularitati constructive

Cea mai utilizata proprietate a diodelor semiconductoare cu jonctiuni este comportarea lor diferita la tensiuni de polarizare directe (Rd foarte mic) si tensiuni de polarizare inversa (Rinv foarte mare). Datorita acestei comportari, la aplicarea unei tensiuni alternative, ele vor functiona pe alternanta pozitiva a acesteia, conducand un curent mare (mA, A), proportional cu tensiunea aplicata, iar pe alternanta negative ele se vor "bloca".

Diodele cu jonctiuni se pot realiza atat din Ge, cat si din Si. Diodele cu siliciu au cateva avantaje importante fata de cele cu germanium:

v     Curent invers mult mai mic,

v     Tensiune de strapungere mai mare;

v     Temperatura maxima de lucru mai mare (190 de grade Celsius la Si, fata de 90 de grade Celsius la Ge).

Ca dezavantaje, diodele cu Si au o tensiune de deschidere ceva mai mare decat cele cu Ge. Totusi, datorita avantajelor, ele sunt utilizate pe scara larga.

Exista in prezent diode redresoare cu siliciu care suporta curenti maximi directi de mii de amperi si tensiuni inverse de 1600 V.

3.4. Utilizari

Diodele cu jonctiuni se folosesc la constructia redresoarelor ce lucreaza cu semnale mari si frecvente mici, de obicei 50 de Hertzi. Datorita avantajelor ele sunt utilizate pe scara larga.

PLATFORMA PENTRU STUDIUL DIODELOR REDRESOARE

4.1. Schema electrica

4.2. Componente, aparate

Rezistenta 300 ohmi

Potentiometru x 2

Fotodioda DF-1

Bec 24 V

Rezistenta 510 ohmi

Rezistenta 240 ohmi x 6

Rezistenta 100 ohmi

Dioda EFD 108

Dioda PL7V5Z

Dioda F 107

Dioda EFR 136

Borne masura x 17

Suprafata platform x 4

Sursa stabilizata de 30 V c.c

Miliampermetru de c.c (multimetru MF - 35)

Voltmetru de c.c (multimetru MF-35)

Cordoane de legatura

4.3. Functionarea si verificarea parametrilor

Conectati alimentarea si reglati la 1 V c.c. incepand cu pozitia minima a lui r11, invartind apoi spre maxim, fixate cateva puncte (recomandam sa se inceapa cu trepte de 0,1 mA) pentru care se vor citi valorile curentului si tensiunii pe diode, completandu-se tabelul urmator:

Pe baza datelor din tabel trasati caracteristica directa I=f (U) a diodei

Bibliografie

Danila, T., Ionescu-Vaida, M., "Componente si circuite electronice" - manual pentru clasa a X- a, Editura Didactica si Pedagogica, R.A. , Bucuresti, 2004.

Ghenu , C., Gheorghiu, T., Tanasescu, M., Tatiana - " Masurari tehnice, manual pentru cl. a X-a" Editura ARAMIS, Bucuresti - 2005.

Isac, E., - "Masurari electrice si electronice, manual pentru clasa a Xa, XI - a si a XII - a" Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1991.

4. Gheorghiu, T., - Auxiliar curricular pt modului "Tehnici de masurare - nivel 3", archive. tvet.ro/web/Aux_Nivel_3/Electric/Auxiliar curricular pt modului "Sisteme de automatizare" archive.tvet.ro/web/Aux_Nivel_3/.

*** internet, regie.ro