1

Fundamentals of Microelectronics

CH1 Why Microelectronics? CH2 Basic Physics of Semiconductors CH3 Diode Circuits CH4 Physics of Bipolar Transistors CH5 Bipolar Amplifiers CH6 Physics of MOS Transistors CH7 CMOS Amplifiers CH8 JFET Transistor

2

مدارهای ديودی: فصل سوم

3-1 ديود ايده آل

3-2 پيوندPN به عنوان ديود

3-3 کاربرد های ديود

CH3 Diode Circuits 3

مشخصه جريان برحسب ولتاژ ديود ايده آل

CH3 Diode Circuits 4

ديود ايده آل

در يک ديود ايده آل هرگاه ولتاژ دوسر ديود بخواهد از صفر ولت بيش تر شود در آن .صورت ديود به صورت اتصال کوتاه عمل کرده و از آن جريان می گذرد

عملکرد ديود همانند لوله آبی است که اجازه عبور آب را تنها در يک جهت می دهد.

CH3 Diode Circuits 5

1مثال

CH3 Diode Circuits 6

2مثال

mAImA

kI

mAk 1

25

)10(0I

110

010I

0VOnD2D1,:Assume

D2

D2

CH3 Diode Circuits 7

3مثال

mAImA

kI

mAk 1

11

)10(0I

25

010I

0VOnD2D1,:Assume

D2

D2

035.3035.3I510

33.115

)10(10I

on:D2off,:D1:Assume

1

D2

D2

VVVkV

mAk

D

CH3 Diode Circuits 8

)1مثال (مشخصه جريان برحسب ولتاژ

اگر دو ديود به صورت موازی و در خالف جهت يکديگر قرار گرفته باشند، در آن.صورت اين مدار همواره به صورت اتصال کوتاه عمل خواهد کرد

CH3 Diode Circuits 9

)2مثال (مشخصه جريان برحسب ولتاژ

CH3 Diode Circuits 10

)1مثال (مشخصه خروجی برحسب ورودی

When Vin is less than zero, the diode opens, so Vout = Vin. When Vin is greater than zero, the diode shorts, so Vout = 0.

CH3 Diode Circuits 11

)2مثال (مشخصه خروجی بر حسب ورودی

CH3 Diode Circuits 12

به عنوان ديود PNپيوند

21

1

n

eII TnVV

S

VT: ولتاژ حرارتی

Is: جريان اشباع معکوس

mVq

kTVT T 26300@

CH3 Diode Circuits 13

PN Junction as a Diode

CH3 Diode Circuits 14

ناحيه باياس مستقيم

when v > 0, we have:

Approximated equations:

mVq

kTVV

eII

TT

VV

ST

26voltage,thermal:

1

ST

VV

S IIVVeII T lnor

CH3 Diode Circuits 15

مثال

mVmVVVVV

IIVV

IIVV

T

ST

ST

603.22610ln1210ln2

ln1

?12 VVV

CH3 Diode Circuits 16

باياس مستقيم

،ولتاژی است که به ازای ولتاژ هایولتاژ برش کمتر از آن جريان بسيار کمی از ديود در جهت

.مستقيم عبور می کند.است V 0.5در ديود سيليکنی اين ولتاژ حدود –

،ناحيه ای است که در آن ناحيه هدايت کاملت تقريبا برابر با صفر اسdiodeRمقاومت ديود

ود و ديود از نظر الکتريکی رسانايی خوبی از خ.نشان می دهد

، V 0.8الی V 0.6در ديود سيليکنی به ازای ولتاژ –.ديود هدايت خوبی از خود نشان می دهد

fully conducting region

cut-in voltage: ولتاژ برش

CH3 Diode Circuits 17

وابستگی دمايی

صورت آن در يابد افزايش سانتيگراد درجه 1 اندازه به دما اگر مشخص، جريان يک ازای به 2 اندازه به ديود دوسر ولتاژ mV يابد می کاهش.

شود می روشن زودتر ديود دما، افزايش با ديگر عبارت به.

CH3 Diode Circuits 18

ناحيه باياس معکوس

when v<0, we have:

Approximated equation:

mVq

kTVVeII TTVV

ST 26voltage,thermal:,1

mVVVII TS 26

CH3 Diode Circuits 19

ناحيه شکست

ديود وقتی وارد ناحيه شکست می شود که: ZKV-<v–)ZKVKnee Voltage (-Zener ر غيعملکرد ديود در ناحيه شکست می تواند

باشد مشروط بر اينکه جريان ديود در مخرب.کنترل ما باشد

breakdown region

Si I Si IV

=-V

ZK

V =

-VT

V =

10V T

/( 1)Tv VSi I e

CH3 Diode Circuits 21

مدل های گوناگون برای ديود

ی و عالوه بر اين مدل، مدل نماي. تاکنون مدل ديود ايده آل مورد بررسی قرار گرفته است.ثابت نيز برای ديود وجود دارد-مدل ولتاژ

CH3 Diode Circuits 22

)1مثال (مشخصه خروجی بر حسب ورودی

مثال باال را يک بار با مدل ديود ايده آل و بارديگر با مدل ولتاژ ثابت حل کرده ايم. .مشاهده می شود که نقطه شکست دو منحنی متفاوت است

Ideal model is used for D1.

Constant-voltage model is used for D1.

CH3 Diode Circuits 23

)2مثال (مشخصه خروجی بر حسب ورودی

For D1: OFF, we have:

CH3 Diode Circuits 24

)3مثال (مشخصه خروجی بر حسب ورودی

For Vin=-∞, D1 is on.

For Vin=+∞, D1 is off.

CH3 Diode Circuits 25

مدل نمايی

ز مدل در اين مثال به دليل متفاوت بودن جريان اشباع معکوس ديود ها، صرفا استفاده ا.نمايی می تواند در حل مساله راه گشا باشد

2

12

1

21

1

1

s

s

inD

s

s

inD

II

II

II

II

Is1 Is2

CH3 Diode Circuits 26

تحليل سيگنال کوچک

د به تحليل سيگنال کوچک به اين صورت انجام می شود که حول نقطه کار، ولتاژ ديوتناسب اندازه جزيی تغيير می کند و به تبع آن تغييرات جريان ديود به صورت خطی و م

.با تغييرات ولتاژ مشاهده می شود

1DT

D IV

VI )اين رابطه در اساليد بعد اثبات می شود(

CH3 Diode Circuits 27

جزئيات تحليل سيگنال کوچک

اگر دو نقطه از مشخصهIV مثال نقاط (ديود به اندازه کافی به هم نزديک باشندA وB(شيب. ، مسيری که اين دو نقطه را به هم متصل می کند همانند يک خط خواهد بود

.استD∆Vو D∆Iاين خط بيانگر ضريب تناسب بين

T

D

T

D

T

s

VDVDD

D

D

D

VI

VV

VI

dVdI

VI

1

1

1

exp

|

CH3 Diode Circuits 28

مقاومت سيگنال کوچک

بطه هرگاه صرفا عالقمند به محاسبه سيگنال های کوچک باشيم، به دليل وجود يک را، در تحليل سيگنال کوچک می توان ديود را همانند يک مقاومت D∆Vو D∆Iخطی بين

. خطی در نظر گرفت

D

Td I

Vr

CH3 Diode Circuits 29

)ادامه(تحليل سيگنال کوچک

اگر به ديود يک ولتاژ سينوسی با دامنه کوچک حول يک ولتاژdc اعمال شود، در اينخواهيم dcحول يک جريان صورت در خروجی نيز جريان سينوسی با دامنه کوچک

.داشت

0 00( ) cos exp cosD p s p

T T

V II t I I t I V tV V

tVVtV p cos)( 0

CH3 Diode Circuits 30

مثالی از آداپتور

Ω38.58mA26mV

IVr

0mA8.58III

mA0.425k2.1I

mA90.1k

2.1-3I

V2.1dcV

D

Td

LD

L

out

VonVD 7.0)(

DC Analysis:

CH3 Diode Circuits 31

ادامه مثال قبل

ωtsin8.3mVωt0.1sin0.1k3r

3rωt0.1sin0.1k5k3r

5k3racV

3r

d

d

d

dout

d

AC Analysis:

Superposition:

ωtsin8.3mVV2.1acVdcVtV outoutout

CH3 Diode Circuits 32

ديود زنر

CH3 Diode Circuits 33

مدل ديود زنر

at breakdown region

CH3 Diode Circuits 34

مدل ساده شده برای ديود زنر

at breakdown region

CH3 Diode Circuits 35

1مثال

Vo=?

CH3 Diode Circuits 36

2مثال

Vo. FindΩ 20r mA, 5Iat V 6.8V : thatknow We zzz

VVVkmA

VrIV

z

z

zzzz

7.602.058.6

0

0

0

Vkk

kkk

kVo 90.67.65.002.0

5.0125.002.0

02.0

V

kkk

kkkVo 82.67.6

5.002.05.010

5.002.002.0

CH3 Diode Circuits 37

3مثال

V10<sV<V8Izk=0.2 mA, Izmax=100mA,

Vz0=5 V

خروجی به dcرا به گونه ای تعيين کنيد که تنظيم ولتاژ maxLRو minlRمقادير maxLR<LR<minl(R(. خوبی انجام شود

max

5

51

5

zzzk

LLz

IIIIVsIII

Vsk

VsI

mAImAImAI

IVsIIVsI LL

LzkLLzk 8.2

8.48.2

55

mAImAImAI

IVsIIIVs LL

LzLzL 95

9597

55 maxmax

mAImA L 8.295 In practice:

mAIL 8.20

LRk785.1