PN spoj, poluprovodnička diodaleda.elfak.ni.ac.rs/education/elektronika/predavanja/2020...PN spoj, poluprovodnička dioda 3 • Napon na dioni je razlika napona na anodi i katodi,

PN spoj, poluprovodnička dioda


2

• Dioda je najjednostavniji poluprovodnički element

Izvor: Wikipedia.com


3

• Napon na dioni je razlika napona na anodi i katodi, 𝑉𝑉𝑑𝑑 = 𝑉𝑉𝐴𝐴 − 𝑉𝑉𝐾𝐾

• PN spoj može biti nepolarisan (𝑉𝑉𝑑𝑑 = 0), direktno polarisan (𝑉𝑉𝑑𝑑 >0) i inverzno polarisan (𝑉𝑉𝑑𝑑 < 0).

Nepolarisani PN spoj

4

𝑛𝑛, 𝑝𝑝

Izvor: Wikipedia.com

Nepolarisani PN spoj

5 Izvor: Wikipedia.com

Polarisani PN spoj

6

Inverzno polarisani PN spoj

7

Inverzno polarisani PN spoj

8

Vg<0

Direktno polarisani PN spoj

9

Direktno polarisani PN spoj

10

Vg>0

Karakteristika diode

11

Skala x100

Skal

a x

10-9

Direktna polarizacija

Inverzna polarizacijaProboj

[mA]

5-70V [V]

)1−= T

DV

SD (eIV

I

I D SI

mV26V026.0q

kVK300

T ====T

T

Modeli diode

12

ID

E1Vdc

R

1k

D

V2=VD

V1=E

IR

R21 I

RVV

=−

0)( DD12 =+

− VIR

VV

1)(eI)( T

DV

sDD −=V

VI

?D =V

1 2

Modeli diode

13

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x 10-3

‚VD [V]I [

mA]

RDE I

RV

=− IR(VD) ID(VD)

)1−= T

DV

SD (eIV

IM

• Grafička interpretacija problema

Modeli diode

14

• Karakteristika diode je nelinearna• Neophodno je primeniti numerički metod za rešavanje sistema

nelinearnih jednačina ili primeniti neki model koji je jednostavniji (linearan)

• Tri modela diode: model idealne diode, model konstantnog napona i model eksponencijalne zavisnosti struje

Modeli diode – idealna dioda

15

• Dioda vodi kada je direktno polarisana – kratak spoj, kada je inverzno polarisana ne vodi – prekid u kolu

Modeli diode – idealna dioda

16

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x 10-3

I [m

A]

0VVV za 0 D =<= γDI

‚VD [V]

Modeli diode – model konstantnog napona

17

• Dioda vodi kada je direktno polarisana – idealni naponski generator, kada je inverzno polarisana ne vodi – prekid u kolu


18

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x 10-3

I [m

A]

0.55VVV za 0 D =<= γDI

VV za V D γγ ≥=DV

D1

DIODA

Vgama

0.5 V

SW

‚VD [V]


19

• Dioda vodi kada je direktno polarisana – realni naponski generator, kada je inverzno polarisana ne vodi – prekid u kolu

R


20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x 10-3

I [m

A]

0.5VVV za 0 D =<= γDI

VV za D γ>=dR

VI DD

D1

DIODA

Vgama

0.5 V

SW

Rd

100

12

Primena dioda – usmeravanje

21

• Osobina diode da provodi samo kada je direktno polarisana se može iskoristiti za konstrukciju kola koje pretvara naizmenični napon u jednosmerni

• Ovakva kola se nazivaju usmerači napona• Postoje dve vrste usmerača – polutalasni i punotalasni

Primena dioda – polutalasno usmeravanje

22

Primena dioda – punotalasno usmeravanje

23


24


25

Analiza usmerenog napona

26


27

• Frekvencija napona na izlazu punotalasnog usmerača v3 je dvostruko veća on frekvencije prostoperiodičnog napona na ulazu v2.

• Napon v3 je složenoperiodičan.• Svaki periodičan signal može se primenom Furijeove

(Fourier) transformacije predstaviti kao superpozicija (zbir) jednosmernog (vremenski nepromenljivog) i prostoperiodičnih signala – harmonika – čije su frekvencije jednake celobrojnim umnošcima osnovne frekvencije (frekvencije periodičnog signala koji se analizira).


28

• Složenoperidični napon (v3) se može matematički izraziti jednačinom:

• gde V0 predstavlja jednosmernu komponentu napona v3, Vkamplitudu k-tog harmonika a φk njegovu fazu. k je red harmonika. Prvi harmonik (k=1) se zove osnovni harmonik.

( )3 01

( ) cos ω φk kk

v t V V k t∞

=

= + ⋅ +∑


29

• Od posebnog značaja je jednosmerna komponenta napona (V0) koja se može matematički izraziti jednačinom:

• Jednosmerna komponenta predstavlja srednju vrednost napona v3.

T

0 30

1 ( )T

V v t dt= ∫


30

• Amplitude harmonika (Vk) se izračunavaju prema formulama:

2 2k k kV V V′ ′′= +

3

30

T

0T

2 2 π( ) cosT T

2 2 π( ) sin .T T

k

k

k tV v t dt

k tV v t dt

′ = ⋅

′′ = ⋅

∫

∫


31

• Napon v3 je vremenski zavistan, može se predstaviti formulom:

• Rešavanjem integrala, dobijamo da je jednosmerna komponenta napona (V0) jednaka:

( )3 mπsinTtv t V = ⋅

m0 m

2 0,6366πVV V= ≈ ⋅


32

• Izražena preko efektivne vrednosti napona na sekundaru transformatora V2ef, jednosmerna komponenta je:

• Prilikom izbora transformatora, potrebno je da odnos transformacije primara i sekundara bude odgovarajući, tako da V0 bude jednak ili veći od potrebnog jednosmernog napona.

2ef0 2ef

2 2 0,9003π

VV V⋅= ≈ ⋅


33

• Kao mera sadržaja naizmenične komponente u usmerenom naponu, samim tim i mera kvaliteta usmerača, definiše se faktor talasnosti:

• Faktor talasnosti je efektivna vrednost naizmenične komponente usmerenog napona bez jednosmerne komponente (V2ef=V3ef).

• Za punotalasni usmerač γ=0,4835.

2 22ef 0

0

V VV

γ−

=

Limiter napona

34

Prenosna karakteristika kola

Prenosna karakteristika

35

• Zavisnost izlazne veličine (struje, napona) od ulazne veličine (struje, napona) naziva se prenosna karakteristika

• Prenosne karakteristike su svojstvene četvoropolima.• V-V, I-V, V-I, I-I

Limiter napona

36

Limiter napona

37

Limiter napona

38

Limiter napona

39

Limiter napona

40

Pomerač naponskog nivoa

41

Zener dioda

42

• Zener dioda radi u oblasti inverznog proboja• Prilikom povećanja napona pri inverznom režimu, mogu se dogoditi

dva tipa proboja – lavinski i Zenerov proboj.• Zenerov proboj predstavlja tunelovanje elektrona iz valentne u

provodnu oblast. Lavinski proboj se javlja usled velike kinetičke energije elektrona koji u kristalu poluprovodnika oslobađaju vezane elektrone. Oba proboja su reverzibilna.

• Zenerov proboj se odvija na manjim naponima (tipično, manjim od 5,6V kod silicijumskih dioda)

• Zbog male dinamičke otpornosti u oblasti inverznog proboja, zenerse koristi kao naponski stabilizator ili ograničavač napona.

Zener dioda

43

Izvor: wikipedia.com

Zener dioda

44

• Zener dioda radi u oblasti inverznog proboja• Prilikom povećanja napona pri inverznom režimu, mogu se dogoditi

dva tipa proboja – lavinski i Zenerov proboj.• Zenerov proboj predstavlja tunelovanje elektrona iz valentne u

provodnu oblast. Lavinski proboj se javlja usled velike kinetičke energije elektrona koji u kristalu poluprovodnika oslobađaju vezane elektrone. Oba proboja su reverzibilna.

• Zenerov proboj se odvija na manjim naponima (tipično, manjim od 5,6V kod silicijumskih dioda)

• Zbog male dinamičke otpornosti u oblasti inverznog proboja, zenerse koristi kao naponski stabilizator ili ograničavač napona.

Zener dioda – primene

45

Zener dioda – primene

46

Varikap dioda

47

• Varikap dioda radi u oblasti inverzne polarizacije• Oblast prostornog naelektrisanja (osiromašena oblast) se ponaša

kao dielektrik čija širina zavisi od inverznog napona.

Varikap dioda

48

• Inverzno polarisana dioda se ponaša kao kondenzator čija kapacitivnost Cj zavisi od inverznog napona Vr:

j0j

0

1 r

CC

VV

A D0 2

e i

Si e A Dj0

A D 0

lnq

ε q 12

N NkTVn

N NCN N V

Model za vremenski promenljive signale

49

Statička otpornost diode

50

• Statička otpornost zavisi od radne tačke

1S

1

R cotθVI

Model za vremenski promenljive signale

51

Dinamička otpornost diode

52

• Dinamička otpornost zavisi od radne tačke

1

1

1 cotθr didv

Dinamička otpornost diode – ekvivalentno kolo

53

Tunel dioda

54

• Dinamička otpornost može biti negativna veličina

• Primer komponente sa negativnom dinamičkom otpornošću je tunel dioda

θ 90 , 0r

Documents

PN spoj, poluprovodnička diodaleda.elfak.ni.ac.rs/education/elektronika/predavanja/2020...PN spoj, poluprovodnička dioda 3 • Napon na dioni je razlika napona na anodi i katodi,