Modele liniare pe portiuni si circuite echivalente pentru dioda semiconductoare

Modele liniare pe portiuni si circuite echivalente pentru dioda semiconductoare

In cataloage, pentru tensiunea de polarizare si curentul diodei se utilizeaza urmatoarele notatii: 1) in polarizare directa, tensiunea directa se noteaza cu V_F (Forward Voltage), tensiunea de deschidere V_F0 iar curentul direct cu I_F; 2) in polarizare inversa, tensiunea inversa tensiunea se noteaza cu V_R (Reverse Voltage) iar curentul cu I_R. Pentru calculul diferitilor parametri, ai unui circuit electronic ce cuprinde una sau mai multe jonctiuni pn, este foarte important sa se aproximeze caracteristica statica a jonctiunii prin segmente de dreapta.

Tinand seama de ecuatia lui Shockley (12.90), functionarea diodei semiconductoare in circuitele reale de curent continuu, poate fi modelata in patru variante, avand in vedere cele trei elemente fundamentale ale unei diode semiconductoare reale: jonctiunea pn ideala D_i, rezistenta interna de curent continuu R_i si tensiunea de deschidere a diodei U_d (Fig. 12.22). Pentru diodele cu Ge, V_F0=0,2 0,4 V, pentru cele cu Si, V_F0=0,5 0,8 V iar pentru cele cu GaAs, V_F0=1 2 V.

1) In cazul tensiunilor ridicate de lucru al diodei, se poate neglija tensiunea de deschidere V_F0 a diodei si curentul invers de I₀. In acest caz caracteristica diodei este modelata de relatiile: V_R<0, I_R=0, in polarizare inversa si V_F=0, I_F=0, in polarizare directa. Dioda se comporta ca o jonctiune ideala sau ca un intrerupator comandat in tensiune dar avand o conductie unidirectionala (Fig. 12.22 a).

2) In cazul tensiunilor reduse de functionare, comparabile cu tensiunea de deschidere V_F0 si a curentilor directi mici, se ia in considerare si caderea de tensiune pe dioda (egala cu V_F0). Modelarea caracteristicii statice se face in acest caz cu ajutorul relatiilor: V_R<0, I_R=0, in polarizare inversa si V_F=V_F0, I_F>0; V_F>V_F0, I_F=0, in polarizare directa (Fig. 12.22 b).

3) In cazul tensiunilor reduse si al curentilor ridicati se ia in consideratie si rezistenta interna a diodei R_i, care depinde de punctul static de functionare al diodei si in care se poate ingloba si rezistenta zonelor neutre. Relatiile care corespund modelarii diodei semiconductoare in acest caz (Fig. 12.22 c) sunt: V_R<0, I_R=0, in polarizare inversa si V_F>V_F0, I_F= (V_F-V_F0)/R_i, in polarizare directa.

4) In cazul polarizarii inverse la tensiuni ridicate, caracteristica diodei este prezentata in (Fig. 12.22 d) iar circuitul echivalent al diodei se completeaza cu o rezistenta inversa R_inv legata in paralel cu dioda ideala D_i. Relatiile care modeleaza circuitul echivalent din Fig. 12.22d sunt: V_R<0 si R_inv=V_R/I_R.

Fig. 12.22. Modele liniare pe portiuni si circuite echivalente pentru

Functionarea diodei semiconductoare in regim stationar.

In circuitele electronice in care peste o tensiune continua se suprapune si o tensiune alternativa de mica amplitudine, dioda semiconductoare poate fi reprezentata printr-o schema echivalenta de semnal mic ca in Fig. 12.23 a. Rezistenta interna dinamica a jonctiunii, r_i, este legata in paralel cu cele doua capacitati ale jonctiunii: capacitatea de bariera C_b si capacitatea de difuzie C_d. In serie cu aceasta grupare s-a mai introdus si rezistenta serie, R_s, corespunzatoare caderilor de tensiune pe regiunile neutre si pe contactele ohmice de la capetele celor doua zone semiconductoare. Aceasta rezistenta serie modeleaza efectele de la nivel mare de injectie.

Cele trei elemente ale circuitului echivalent din Fig. 12.23 a, rezistenta dinamica r_i, capacitatea de bariera C_b si capacitatea de difuzie C_d depind de tensiunea de polarizare conform Fig. 12.20. In regim de conductie direct rezistenta dinamica este foarte mica, iar C_d>C_b, astfel incat in circuit ramane numai C_d care este suntata de rezistenta dinamica r_i 0 (Fig. 12.23 b). Rezulta astfel schema echivalenta care contine numai rezistenta serie a diodei R_s.

La tensiuni inverse de polarizare, rezistenta dinamica este foarte mare, r_i ¥, si este legata in paralel cu capacitatea de bariera C_b care devine mult mai mare decat capacitatea de difuzie C_d (Fig. 12.23 c). In aceasta schema, rezistenta serie a diodei, R_s, se poate neglija iar schema echivalenta este formata numai din capacitatea de bariera C_b.

a) b) c)

Fig. 12.23. Circuitele echivalente de semnal mic al unei diode semiconductoare:

a) schema echivalenta de semnal mic, b) polarizare directa, c) polarizare inversa.