TIPURI DE DIODE SEMICONDUCTOARE

Tipuri de diode semiconductoare

1. Procedee de realizare a jonctiunii p-n. Tipuri de diode

Tipul de conductibilitate (p sau n) al unui semiconductor fiind determinat doar de concentratia efectiva a impuritatilor N=Nd-Na, el poate fi schimbat prin introducerea de impuritati corespunzatoare.

Spre exemplu, daca intr-un cristal avand Nd=10²¹atomi/m³ se introduc acceptori cu o concentratie mai mare Na=10²²atomi/m³, cristalul de tip n devine p, avand o concentratie efectiva de acceptori N=(Nd-Na)=9*10²¹atomi/m

Daca impuritati de tip diferit se introduc numai intr-o regiune a cristalului, la granita dintre aceasta si restul cristalului apare o jonctiune p-n.

Cea mai veche metoda de realizare a unei jonctiuni este cea care a fost folosita la diodele cu contact punctiform (subcapitolul 4). Cea mai importanta metoda in anii '50 era metoda cresterii (la diodele redresoare cu Ge).

In prezent, pentru a schimba tipul de conductibilitate se folosesc: alierea (la Ge), difuzia planara (intr-un gaz de impuritati) la Si, epitaxia (realizarea semiconductorului intr-o atmosfera de vapori de semiconductor si impuritati) la Si. Un procedeu modern la Si este implantarea ionica.

2. Diode redresoare

2.1. Diode redresoare de uz general

Dioda semiconductoare este un dispozitiv electronic care prezinta conductie unilaterala, pe baza unei jonctiuni p-n si doua contacte ohmice metal-semiconductor inchise ermetic intr-o capsula.

Clasificarea diodelor dupa functiile indeplinite:

- diode redresoare (cele cu Si au practic o rezistenta zero intr-un sens si infinita in celalalt);

- diode de comutatie (pentru frecventa inalta - cu impuritati Au);

- diode stabilizatoare de tensiune - Zener;

- diode speciale - varicap, tunel, IMPATT (Read, 1958), Gunn (1963);

- fotodiode.

Avantajele diodelor semiconductoare fata de cele cu gaz:

- in conductie directa caderea de tensiune e mai mica (1V fata de 30.40V);

- nu necesita circuit de incalzire;

- sunt mai robuste;

- au volum mic;

- au durata mare de functionare.

Parametrii diodelor redresoare:

- curentul mediu redresat: Io (mici: 1A; medii: zeci de A; mari: sute si mii de A);

- curent de varf maxim admis: IVM, care poate fi: IFRM- curent direct maxim repetitiv;

IFSM- curent maxim direct accidental de suprasarcina;

- tensiunea inversa maxima admisa: UIM; UIM = (0.50.8) din Ustrapungere (502000V);

- tensiunea inversa: VR;

- tensiunea inversa maxima: VRM;

- tensiunea repetitiva inversa maxima: VRRM;

- tensiunea inversa maxima de suprasarcina: VRSM;

- tensiunea inversa maxima de lucru: VRWM;

- caderea de tensiune directa VF pentru o anumita valoare a curentului (VF = 0.8| IF = 1A);

- curentul invers pentru o anumita tensiune: IR;

- rezistenta termica ce caracterizeaza capacitatea diodei de a elimina puterea disipata spre mediul ambiant: Rth-a ; Rth-c;

- temperatura maxima a jonctiunii: Tjmax.

Toti parametrii sunt mai slabi la Ge decat la Si. Singurul avantaj la Ge este tensiunea VF care este mai mica.

Particularitatile constructive ale diodelor semiconductoare sunt determinate de faptul ca ele lucreaza la curenti mari, deci in jonctiune apare o cantitate mare de caldura care trebuie eliminata spre mediu. La diodele de curenti mari se utilizeaza ceramica.

Exemple: in capsula de plastic F126: 1N4001, DRD1; in sticla: 1N4148 (comutatie) etc.

2.2. Dioda cu avalansa controlata

Se realizeaza prin metoda difuziei. Pastila este sudata intre doi electrozi de molibden ca in figura. Pentru curenti mari se folosesc arcuri. Placheta a fost polizata inclinat pentru eliminarea zonelor periferice si pentru crearea unei configuratii avantajoase a campului electric la suprafata jonctiunii. Astfel, campul electric la suprafata este mai mic decat in interiorul volumului (deoarece tensiunea se distribuie pe o distanta mai mare la suprafata: E = U / d).

Dioda poate functiona in regiunea de strapungere pana la valori mari de curenti, cu conditia sa nu depaseasca puterea maxima admisa. Sunt in general folosite pentru protectia altor dispozitive (tiristoare). Codificare: D10A4 (10 amperi, 400V).

Stratul slab dopat de tip p dintre n+ si p+ confera o tensiune de strapungere mare. Explicatia o dam pe urmatorul tip de dioda.

2. Dioda redresoare pin

Grosimea regiunii intrinsece este mai mica decat lungimea de difuzie (pentru a-si pastra proprietatile). In regiunea intrinseca nu avem sarcina spatiala => un camp constant.

Strapungerea regiunii intrinsece are loc pentru un camp de Ecr = 2^.10⁷ V/m la o tensiune de Ustr = W^.Ecr (W = latimea regiunii intrinsece; W = 0.1mm Ustr = 2000V).

Ex. KYX30 - 30KV, 1mA care contine 2 diode de 15KV.

2. Conectarea in serie si in paralel a diodelor

Desi exista diode cu tensiuni inverse mari, capabile sa redreseze curenti mari, apar uneori situatii cand trebuie folosite mai multe diode in serie pentru a putea rezista la Umax inversa, sau pentru a asigura valoarea ceruta a curentului redresat.

In conductia inversa apare pericolul distribuirii neuniforme a tensiunii pe lantul de diode generat de inegalitatea curentilor inversi.

Pe dioda ce are curentul invers cel mai mic, va cadea tensiunea U cea mai mare, care poate depasi Uinv.max. si dioda se va strapunge. Tensiunea se redistribuie pe celelalte diode =>se vor distruge toate. Pentru evitarea acestui lucru, montam in paralel cu fiecare dioda cate o rezistenta de egalizare a tensiunii inverse. Valoarea acestor rezistente Rp se alege mult mai mica decat rezistenta inversa astfel incat divizarea tensiunii sa se faca pe Rp, dar nu se pot alege valori prea mici pentru ca rezulta pierderi.

Ex. PY88 se inlocuieste pentru 5KV cu 7.10 diode BAY159 in paralel cu R=100K

Fig. 23

Obs: La diodele cu avalansa controlata nu sunt necesare rezistente de egalizare pentru ca intrarea in avalansa e permisa pana la curenti relativ mari.

La montarea in paralel a mai multor diode, dispersia caracteristicii inverse nu pericliteaza functionarea. Dar dispersia caracteristicii directe, mai ales Udesch, conduce la o repartitie inegala a curentului total pe diode. Neajunsul se inlatura punand in serie cu diodele cate o rezistenta Rp.

Uniformizarea repartitiei e mai buna cu cat Rp e mai mare, dar randamentul scade.

Diode stabilizatoare de tensiune (Zener)

Aceste diode utilizeaza proprietatea jonctiunii p-n de a avea in conductie inversa o tensiune constanta la borne, independent de valoarea curentului cand apare fenomenul de strapungere (fig. 24).

La realizarea structurilor diodelor semiconductoare Zener, se iau masuri speciale pentru ca in regiunea de strapungere curentul sa se distribuie uniform pe toata aria sectiunii => diodele Zener lucreaza pana la curenti de putere maxima admisa. Simboluri:

	VZ1

Valoarea tensiunii Zener este determinata de nivelul doparilor: Uz = 2,7400 V.

Puteri: 0,2550 W. r_z = Ua / Ia; r_z = 10.100 - rezistenta dinamica (interna) Zener

CTUz = _VZ = 1 / UzdUz / dT

In regiunea de stabilizare: Uz prezinta o usoara crestere cu curentul invers (Ia).

Exemplu: PL10Z Uz =10 V => _vz = 5^.10^-4 (C)^-1; PL5V1Z (5.1V,1W capsula de plastic F126); DZ5V1 (5.1V, 0.4W capsula de sticla).

_vz poate fi micsorat inseriind cu dioda Zener, una sau mai multe diode polarizate direct, la care scade cu temperatura. Se pun toate diodele pe aceeasi placuta pentru ca temperatura sa nu difere intre ele (fig. 26). Ex.: ZTC33 sau circuitul integrat TAA550.

Obs: In domeniul curentilor mici descarcarea in avalansa se amorseaza si se stinge haotic => zgomot. Tot in acest domeniu, tensiunea variaza mult cu curentul. Nu se recomanda sa se lucreze sub o anumita valoare I_ZT = ..5 mA. Se poate folosi un model echivalent pentru dioda Zener (fig. 27).

Diodele Zener se folosesc ca stabilizatoare de tensiune (fig. 28). Rb este rezistenta de limitare, protectie sau de balast. Ea se alege astfel incat dioda sa lucreze in regiunea Zener pentru intreg domeniul de variatie a lui Ea si Is. Curentul de sarcina Is nu poate depasi in mod normal (pentru U_s = Uz =constanta) valoarea pentru care se mai asigura I_ZT prin dioda Zener. I=Iz+Is; Ea=Rb*I+Uz.

Acest stabilizator de tensiune parametric, de tip paralel (dioda Zener este paralel cu sarcina Rs) are protectie intrinseca la scurtcircuit d.p.d.v. al diodei Zener. Pentru Us=0 rezulta Iz=0. Este cel mai greu regim de lucru pentru Rb care se dimensioneaza la puterea maxima disipata (Ea*Ea/Rb).

Pentru ca I_z < I_zmax => R_b>(Ea_max-Uz)/I_zmax (pp. Is=0). Lipsa sarcinii (Is=0) este cel mai greu regim de lucru pentru dioda Zener (I=Iz). In acest regim se verifica puterea maxima disipata de dioda Zener (Uz*I). Daca Ea creste => creste si I_z, producand pe Rb o crestere a caderii de tensiune aproape egala cu cresterea lui Ea. Us ramane aproape constanta =Uz. Stabilizarea este cu atat mai buna cu cat rezistenta dinamica Zener este mai mica si Rb este mai mare. Circuitul stabilizeaza Us si la variatia Is. Daca I_s creste (R_s scade), I_z scade, iar I va ramane aproximativ constant, ca si U_s.

Diode cu contact punctiform

Constructia lor actuala consta dintr-un cristal semiconductor de Ge sau Si de tip n, pe suprafata caruia se realizeaza un contact punctiform cu un fir metalic ascutit la varf (fig. 29.).

Dupa asamblarea mecanica urmeaza operatia de formatare a diodei: o serie de impulsuri de curent cu valori mult peste cele nominale.

In jurul firului de wolfram, Ge isi schimba tipul in p, in urma racirii se formeaza o jonctiune foarte mica cu S= si cu grosimea .

Firul are rol de legatura intre anod si Ge de tip n.

Datorita suprafetei mici a jonctiunii, capacitatea de bariera e foarte mica => se folosesc la frecvente mari.

Rezistenta regiunii neutre e mare: sute de ohmi.

Nivelul de injectie este mare, chiar la curenti mici. In conductie inversa, Irezidual este mare si are Ustrapungere mica, pentru ca Irezidual mare inseamna strapungere prin ambalare termica (fig. 30).

Utilizare: la detectie (radio), la modulatie in faza si in amplitudine, la schimbarea de frecventa, comutatie. Se folosesc pana la zeci de GHz, dar in constructie coaxiala.

Ex. EFD 108,EFD 109, EFD110

5. Diode cu capacitate variabila

Exploateaza proprietatile jonctiunii de a se comporta la polarizare inversa ca o capacitate dependenta de tensiunea aplicata. Capacitatea descreste pe masura ce tensiunea de polarizare inversa creste, deoarece regiunea de tranzitie creste.

Cea mai importanta caracteristica este legea de variatie a capacitatii de bariera cu Uinv aplicata.

unde: n= coeficient care depinde de constructor (n=0.5 - o dioda foarte buna de utilizat intr-un circuit acordat).

Obs: Orice dioda poate lucra in aceasta regiune de capacitate variabila, dar se fac diode speciale, cu un n specific pentru anumite performante. Printr-o alegere corespunzatoare a dopajului, se realizeaza diode speciale 'varicap' care prezinta o variatie de capacitate intre 10pF si 2pF pentru o crestere a tensiunii inverse intre 2V si 30V.

Ex. Se poate demonstra expresia factorului de calitate al condensatorului Cb.

Q- factorul de calitate.

Q C_br_i. Q creste cu frecventa la frecvente joase.

Q C_br_s. Q scade cu frecventa la frecvente inalte.

Simbolurile sunt prezentate in figura 32.

Frecventa maxima la care se pot folosi este:

C_b=1..10pF, iar r_s poate fi scazuta pana la 1 ohm.

Utilizari: acordul automat al circuitelor oscilante (televiziune, radio) - diodele varicap; pentru generarea de armonice la frecvente foarte inalte - diode varactor.

Ex. BB139 (domeniul VHF) , BB125 (domeniul UHF). Aceste diode varicap permit acordul automat pe frecventa dorita (statia dorita).

6. Diode tunel

Dioda tunel a fost inventata de Esaki in 1958 si se foloseste ca oscilator sau amplificator.

Cele doua jonctiuni sunt dopate foarte puternic: . Atomii de impuritati interactioneaza intre ei ducand la aparitia unei benzi ce se suprapune pe banda de conductie si partial pe banda de valenta (fig. 33). Aceste semiconductoare se numesc degenerate.

Fig. 33    Fig. 34

Campul din regiunea de bariera este foarte mare, incat chiar in absenta polarizarii, electronii traverseaza bariera prin efect tunel (pana la Up). Peste Up, IT scade aparand curentul normal prin dioda. Peste Uv, curentul tunel IT nu mai exista (fig. 34).

Pentru utilizare se foloseste zona cu r_i<0.

Nu se foloseste Si ci Ge, Ga-As, In-Sb.

Viteza cu care electronii traverseaza bariera prin efect tunel este foarte mare; de aceea dioda tunel este un dispozitiv ce poate lucra la frecvente foarte inalte.

Diodele tunel sunt utilizate ca amplificatoare si generatoare de semnale sinusoidale, in circuitele de comutatie de mare viteza, in memoriile rapide ale calculatoarelor etc.

Simboluri:

Fig. 35

Dioda cu conductie inversa (dioda backward)

Este o varianta de dioda tunel cu urmatoarea structura a benzilor:

Fig. 36 Fig. 37

Se utilizeaza ca detector sau mixer in domeniul microundelor.