Dioda semiconductoare este un dispozitiv electronic format dintr-o jonctiune PN prevazuta cu doua terminale: Anod (+) si Catod (-). De obicei constructia jonctiunii PN se bazeaza pe metalele semiconductoare germaniu si siliciu.
Structura fizica a unei diode
Asocierea sensurilor pentru curent si tensiune
Polarizarea diodelor
Prin polarizare se intelege aplicarea la terminalele diodei a unei tensiuni continue.
Aproximarea diodelor
Trei aproximari diferite pot fi folosite in analiza circuitelor ce contin diode, depinzand de acuratetea de calcul dorita:
Prima aproximatie, cunoscuta si sub numele de aproximarea ideala a diodelor trateaza o dioda polarizata direct, ca un comutator inchis, avand o cadere de tensiune nula, pe cand polarizarea inversa e echivalata cu un comutator deschis avand curentul nul. Pe scurt, modelul ideal (dioda ideala) contine doar proprietatea de conductie unilaterala a curentului. Dioda ideala se comporta ca un comutator automat care interzice total trecerea curentului daca tensiunea la borne este negativa, respectiv permite trecerea curentului daca tensiunea la borne tinde sa devina pozitiva.
A doua aproximatie trateaza o dioda polarizata direct drept o dioda ideala inseriata cu o baterie. Pentru diodele pe baza de siliciu, tensiunea bateriei este presupusa a fi de 0,7 V, la fel ca potentialul de bariera, VB, la o jonctiune p – n de siliciu. Pe cand in cazul polarizarii inverse, se pastreaza echivalarea cu un comutator deschis. Din caracteristica statica se observa ca dioda este considerata blocata pana cand tensiunea de polarizarea atinge pragul de 0,7 V. De asemenea, se presupune ca va exista o cadere de tensiune de 0,7 V la intrarea in conductie.
A treia aproximatie tine cont si de rezistenta semiconductoarelor de tip p si n. Valoarea sa este dependenta de nivelul de dopaj cu impuritati dar si de dimensiunea materialelor.
VF = VB + rB*IF
Parametrii diodelor
Urmatoarea lista defineste succint parametri electrici ale diodelor semiconductoare.
VBR: tensiunea maxima inversa de curent continuu, este valoarea maxima a tensiunii la care dioda poate functiona neintrerupt, fara distrugerea acesteia. Ideal, aceasta valoare a fi infinita.
PD: puterea maxima disipata totala, reprezinta valoarea puterii (in Watt) pe care dioda o poate disipa fara ca aceasta putere sa duca la distrugerea diodei. Aceasta valoare este limitata de capacitatea termica a diodei. Ideal, aceasta valoare ar fi infinita.
IO: valoarea maxima (medie) a curentului direct, valoarea maxima medie a curentului pe care dioda o poate suporta la polarizarea directa. Aceasta limitare este practic o limitare termica: cata caldura poate „suporta” jonctiunea P-N, avand in vedere ca puterea disipata reprezinta produsul dintre curent si tensiune, iar tensiunea de polarizare directa depinde atat de curent cat si de temperatura jonctiunii. Ideal, aceasta valoare ar fi infinita.
IFSM: Curentul maxim de polarizare directa, reprezinta curentul de varf maxim pe care dioda il poate conduce la polarizare directa, fara ca acest curent sa duca la distrugerea diodei. Din nou, aceasta valoare este limitata de capacitatea termica a jonctiunii diodei, si este de obicei mult mai mare decat valoarea curentului mediu datorita inertiei termice. Ideal, aceasta valoare ar fi infinita.
IR: curentul maxim de polarizare inversa, reprezinta valoarea curentului prin dioda la polarizarea inversa si aplicarea tensiunii de polarizare inversa maxima de curent continuu (VDC). Mai este cunoscut si sub numele de curent de scurgeri. Ideal, aceasta valoare ar fi zero, deoarece o dioda perfecta ar bloca toti curentii atunci cand este polarizata invers. In realitate, aceasta valoarea este mica in comparatie cu valoarea curentului maxim de polarizare directa.
Valoarea se specifica la o anumita valoare a tensiunii de polarizare inversa. Spre exemplu o foaie de catalog pentru o dioda 1N4002 specifica o valoare IR tipica de 0,05 A pentru o temperature a jonctiuni TJ = 25C si o tensiune inversa, VR, de 100 V. Cu aceste date, rezistenta inversa, RR, poate fi calculata, aplicand legea lui Ohm.
In cele ce urmeaza, vom prezenta 10 tipuri de diode semiconductoare si aplicatiile in care sunt folosite:
1. Dioda de semnal mic (Small signal Diode)
Este un dispozitiv mic cu caracteristici disproportionate si are aplicabilitate in principal la dispozitivele de inalta frecventa si la curenti foarte mici, cum ar fi radiourile, televizoarele etc. Pentru a proteja dioda de contaminare, aceasta este invelita in sticla, asa ca este numita si dioda pasivizata din sticla care este utilizata in mod extensiv ca 1N4148.
2. Dioda de semnal mare (Large signal Diode)
Aceste diode au un strat mare de jonctiune P-N. Astfel, transformarea tensiunii AC in DC nu este limitata. Aceste semnale mari vor perturba si punctul functional, din acest motiv nu este potrivita pentru aplicatii de inalta frecventa. Principalele aplicatii ale acestor diode sunt in dispozitivele de incarcare a bateriilor, cum ar fi invertoarele. Deoarece au performante inalte de curent si de tensiune, acestea pot fi utilizate in dispozitive electrice care sunt utilizate pentru a suprima tensiunile de varf ridicate.
3. Dioda Zener
Diodele Zener sunt proiectate sa functioneze polarizate invers. Tensiunea la care aceste diode incep sa conduca este denumita tensiune Zener (tensiunea de strapungere). Dioda Zener poate functiona pe post de stabilizator de tensiune.
4. Dioda LED (Light emitting Diode)
Aceste diode transforma energia electrica in energie luminoasa. Prima productie a inceput in anul 1968. Se supune procesului de electroluminescenta in care gaurile si electronii sunt recombinate pentru a produce energie sub forma de lumina in starea de polarizare. Utilizata in principal in aplicatii precum iluminatul aviatic, semnalele de trafic, bliturile camerei de filmat, etc.
5. Dioda de curent constant
Rolul acestei diode este de a regla tensiunea la un anumit curent. Functioneaza ca limitator de curent cu doua terminale. Aceasta actioneaza ca limitator de curent pentru a obtine impedanta de iesire mare. Simbolul diodei curentului constant este prezentat mai jos:
6. Dioda Schottky
In acest tip de dioda, jonctiunea este formata prin contactarea materialului semiconductor cu metalul. Datorita acestui fapt, caderea de tensiune este redusa la minim. Materialul semiconductor este siliciu de tip N care actioneaza ca un anod. Metalul, poate fi alcatuit din crom, platina etc. actionand ca un catod.
Datorita jonctiunii metalice, aceste diode au capacitate de conducere ridicata, astfel timpul de comutare se reduce. In principal datorita jonctiunii metal-semiconductor, caderea tensiunii este scazuta, astfel, se reduc pierderile de putere. Deci, acestea sunt utilizate in aplicatiile redresorului de inalta frecventa.
7. Dioda Shockley
Aceasta dioda se mai numeste si dioda PNPN. Este asemanatoare cu un tiristor fara terminal de poarta, ceea ce inseamna ca terminalul portii este deconectat.
Deoarece nu exista intrari de declansare, singura modalitate de dirijare a diodei este furnizarea de tensiuni inainte. Se foloseste la comutatoare de declansare si se mai comporta ca si un oscillator de relaxare.
8. Dioda cu recuperare (Step Recovery diode)
Dioda Step Recovery este un dispozitiv semiconductor cu dopaj neobisnuit; Poate fi considerata, un condensator variabil dependent de tensiune. Densitatea dopajului este extrem de mica in zona de jonctiune.
Astfel, densitatea purtatorilor de sarcina este de asemenea scazuta in apropierea jonctiunii. Este folosita ca un coputator rapid controlat in diverse aplicatii cu frectente joase. Isi schimba starea ON/OFF instantaneu. La frecvente inalte, procesul de comutare necesita timp.
9. Dioda Tunnel (Esaki)
Aceasta dioda este folosita ca si comutator de viteza mare, de ordinul nano-secundelor. Datorita efectului de tunel functioneaza foarte rapid in regiunea de frecvente cu microunde (frecvente de ordinul gigahertzilor) . Diodele Tunnel sunt utilizate in circuite oscilante, circuite cu microunde, amplificatoare etc.
La polarizare directa normala, cu cresterea tensiunii, electronii intai tuneleaza prin bariera foarte ingusta a jonctiunii p-n deoarece nivelele umplute cu electroni din banda de conductie din regiunea n se aliniaza cu nivelele libere din banda de valenta din regiunea p a jonctiunii. Daca tensiunea creste mai mult, aceste nivele devin mai puternic defazate iar curentul scade – ceea ce se numeste rezistenta negativa, deoarece curentul scade cu cresterea tensiunii.
10. Dioda Varicap
Acest tip de dioda se comporta ca si un condesator variabil. Acesta dioda este renumita datorita proprietatii sale de a schimba intervalele de capacitate din circuit in prezenta fluxului de tensiune constanta.
Aceste diode se folosesc in urmatoarele aplicatii: condesatoare cu tensiune controlata, oscilatoare cu tensiune controlata, amplificatoare parametrice, transmitatoare FM, radiouri, televizoare si telefoane mobile.
Bibliografie / Surse:
https://www.tutorialspoint.com/
https://www.allaboutcircuits.com/