دیود دکتر سعید شیری : فصل سوم از MICROELECTRONIC CIRCUITS & کتاب 5/e Sedra/Smith Amirkabir University of Technology Computer Engineering & Information Technology Department.
Download ReportTranscript دیود دکتر سعید شیری : فصل سوم از MICROELECTRONIC CIRCUITS & کتاب 5/e Sedra/Smith Amirkabir University of Technology Computer Engineering & Information Technology Department.
دیود دکتر سعید شیری :فصل سوم از MICROELECTRONIC CIRCUITS & کتاب 5/e Sedra/Smith Amirkabir University of Technology Computer Engineering & Information Technology Department مقدمه اغلب مداراتی که در فصول قبل با تقویت کننده ها ساختیم بصورت خطی عمل میکردند .ولی در کاربردهای زیادی وجود دارند که فقط توسط مدارات غیر خطی قابل پباده سازی هستند. برای مثال تولید سیگنال dcاز یک منبع تغذیه سینوسی و یا مدارات منطقی و حافظه ها در این فصل به بررسی ساده ترین المان غیر خطی یعنی دیود میپردازیم. دیود همانند مقاومت یک المان دوترمینالی است اما یک مشخصه غیر خطی دارد. دیود ایده آل دیود دارای دو ترمینال آنود(مثبت) و کاتد (منفی) است: اگر ولتاژ اعمالی به آند بیشتر از کاتد باشد دیود در گرایش مستقیم بوده و جریان ازآن عبور خواهد کرد. اگر ولتاژ اعمالی به آند کمتر از کاتد باشد دیود در گرایش معکوس بوده و بصورت قطع عمل خواهد کرد. ;Figure 3.1 The ideal diode: (a) diode circuit symbol; (b) i–v characteristic; (c) equivalent circuit in the reverse direction (d) equivalent circuit in the forward direction. محافظت از دیود در عمل باید توسط مدارات جانبی جریان عبوری از دیود را وقتی که در حال هدایت است و همچنین مقدار ولتاژ معکوسی که هنگام گرایش معکوس دردو سر آن میافتد را محدود کرد وگرنه دیود آسیب خواهد دید. چون جریان قطع است کل ولتاژ 10 ولت روی دیود میافتد. )Figure 3.2 The two modes of operation of ideal diodes and the use of an external circuit to limit the forward current (a and the reverse voltage (b). یکسوساز دیودی یکی از کاربردهای اصلی دیود در مدارات یکسوساز ) (rectifierاست. یک مدار ساده یکسوساز مطابق شکل زیر از یک دیود و یک مقاومت ساخته میشود .اگر به این مدار ولتاژ سینوسی اعمال شود ،در طول سیکل مثبت دیود هدایت کرده و جریان را عبور میدهد .در سیکل منفی ولتاژ ،دیود در گرایش منفی قرار گرفته و جریان را عبور نخواهد داد. مقدار متوسط خروجی صفرنبوده و دارای مقداری DCخواهد بود. )Figure 3.3 (a) Rectifier circuit. (b) Input waveform. (c) Equivalent circuit when vI 0. (d Equivalent circuit when vI 0. (e) Output waveform. مثال مدار شکل زیر برای شارژ یک باتری 12ولت استفاده میشود. اگر منبع سیگنال یک ولتاژ سینوسی با مقدار پیک 24ولت باشد ،مشخص کنید دیود چه مقدار از هر سیکل در حال هدایت است .همچنین مقدار حداکثر جریان عبوری و ولتاژ معکوس آنرا مشخص کنید. Figure 3.4 Circuit and waveforms for Example 3.1. پاسخ دیود وقتی هدایت میکند که ولتاژ دو سرآن مثبت باشد یعنی vs از 12ولت بیشتر باشد .لذا زاویه هدایت عبارت است از: در نتیجه دیود باندازه 120درجه هدایت خواهد کرد. مقدار حداکثر جریان: مقدار حداکثر ولتاژ معکوس: گیت دیودی با استفاده از دیود و مقاومت میتوان برخی از مدارات منطقی را پیاده سازی نمود: Figure 3.5 Diode logic gates: (a) OR gate; (b) AND gate (in a positive-logic system). مثال با فرض ایده آل بودن دیودها مقدار جریان Iو ولتاژ Vرا برای هر یک از مدارات زیربدست آورید. Figure 3.6 Circuits for Example 3.2. پاسخ اگر فرض کنیم هر دو دیود در حال هدایت باشند ،برای مدار a داریم: در نقطه Bخواهیمداشت: برای مدار bاگر فرض کنیم هر دو دیود در حال هدایت هستند ،خواهیمداشت: غیر ممکن ! در نتیجه باید فرض را عوض کنیم: مشخصات دیود واقعی یکی از دیودهای مهم مورد استفاده دیود پیوندی ساخته شده از سیلیکون است. مشخصه ولتاژ-جریان این دیود دارای 3قسمت است: Figure 3.8 The diode i–v relationship with some scales expanded and others compressed in order to reveal details. ناحیه گرایش مستقیم وقتی که ولتاژ دو سر دیود مثبت باشد دیود وارد ناحیه گرایش مستقیم شده و جریان زیر از آن عبور میکند: در این رابطه مقدار Isکه جریان اشباع نامیده میشود در یک ) درجه حرارت ثابت مقداری ثابت خواهد بود ( در حد مقدار VTکه ولتاژ حرارتی نامیده میشود از رابطه زیر بدست میآید: ناحیه گرایش مستقیم اگر جریان دیود باندازه کافی بزرگ باشد را بصورت زیر نوشت: در نتیجه ولتاژ دو سر دیود بصورت زیر خواهد بود: وقتی که ولتاژ دو سردیود کمتر از 0.5ولت باشد ،جریان دیود بسیارکم نامیده میشود. خواهد بود .این ولتاژ بخاطر رابطه نمائی بین ولتاژ و جریان با افزایش جریان ورودی ولتاژ در محدوده 0.6-0.8باقی خواهد ماند. در نتیجه برای دیودی که در حال هدایت است میتوان فرض کرد که ولتاژ 0.7در دو سر آن افت خواهد نمود. میتوان رابطه جریان ناحیه گرایش معکوس وقتی که ولتاژدوسردیود معکوس شود ،دیود وارد ناحیه گرایش معکوس میشود .اگر این ولتاژ منفی چندین بار از کوچکتر باشد ،مقدار جریان معکوس را میتوان بصورت زیر تقریب زد: بعبارت دیگر جریان گرایش معکوس ثابت و برابر با جریان اشباع میباشد .البته در عمل مقدار آن از جریان Isخیلی بیشتر خواهد بود. ناحیه شکست وقتی که ولتاژ معکوس دو سر دیود از مقدار مشخصی که مقدار شکست نامیده میشود تجاوز کند دیود وارد ناحیه شکست میشود. در این ناحیه جریان بشدت زیاد میشود در حالیکه ولتاژ متناسب با آن فقط اندکی اضافه میشود. اگر اتالف حرارتی دیود کنترل شود قرار گرفتن در این ناحیه مخرب نخواهد بود. از این خاصیت برای تنظیم ولتاژ استفاده میشود. آنالیز مدارات دیودی :آنالیز دقیق برای آنالیز دقیق دیود در یک مدار از مدل نمائی استفاده میشود .این مدل غیر خطی و برای استفاده مشکل است. درمدار شکل مقابل با فرض اینکه VDDاز 0.5بیشترباشد تا اینکه دیود در حال هدایت قرار گیرد ،جریان دیود از رابطه زیر بدست می آید. از طرفی این جریان برابر است با: در این دومعادله دو مجهول وجود دارد که به دوطریق گرافیکی و تکراری قابل حل است. آنالیز گرافیکی مدل نمائی برای آنالیز گرافیکی ،دو معادله فوق در نمودار ولتاژ-جریان رسم میشوند .محل تالقی این دو نمودار راه حل مسئله خواهد بود. محل تالقی نقطه کار نامیده میشود و خط رسم شده خط بار نامیده میشود. Figure 3.11 Graphical analysis of the circuit in Fig. 3.10 using the exponential diode model. حل به روش تکرار پاسخ معاالت فوق را میتوان به روش تکرار حل نمود. مثال اگر در شکل قبل مقدار VDD=5vو R=1Kاهم باشد و همچنین اگر جریان دیود در ولتاژ 0.7برابر با 1mAبوده و افت ولتاژی برابر با 0.1vدر هر دهه از تغییر جریان داشته باشد ،مقدار IDو VDرا مشخص کنید. پاسخ با فرض VD=0.7خواهیمداشت: سپس با استفاده از رابطه وجایگزین کردن مقادیر خواهیمداشت: با استفاده از این مقدار جدید برای ولتاژ دیود و تکرار روش فوق داریم: با تکرار بیشتر مقادیر فوق تغییر چندانی نخواهند نمود: آنالیز سریع در مواقع زیادی آنالیز دقیق به روش تکراری بسیار وقت گیر خواهد بود .در چنین مواقعی میتوان از یک روش سریع اما با دقت کمتری استفاده کرده و پس از ارزیابی نتیجه در صورت نیاز به آنالیز دقیق پرداخت. یک راه حل تقریب زدن مشخصه دیود با یک نمودار خطی است .این مشخصه را میتوان با دو خط یکی با شیب صفر و دیگری با شیب 1/rDتقریب زد. تقریب خطی مشخصه دیود در تقریب خطی مشخه دیود را میتوان بصورت زیر نشان داد: چنین مدلی را میتوان با ترکیب یک دیود ایده آل و یک مقاومت نشان داد: Figure 3.13 Piecewise-linear model of the diode forward characteristic and its equivalent circuit representation. مثال .مثال قبل را به روش تقریب خطی دیود حل کنید :از مقادیر زیر استفاده نمائید Figure 3.14 The circuit of Fig. 3.10 with the diode replaced with its piecewise-linear model of Fig. 3.13. مدل افت ولتاژ ثابت یک مدل بسیار ساده تر که در شکل زیر مشخصه دیود ایده،نشان داده شده است یکی با:آل را با دو خط جایگزین میکند .شیب صفر و دیگری با شیب بینهایت این مدل شبیه به مدل ایده آل است با این تفاوت که در حالت گرایش مستقیم افت ولت در دوV=0.7 ولتاژی برابر با .سر دیود در نظر میگیرد Figure 3.15 Development of the constant-voltage-drop model of the diode forward characteristics. A vertical straight line (B) is used to approximate the fast-rising exponential. Observe that this simple model predicts VD to within 0.1 V over the current range of 0.1 mA to 10 mA. مثال .مثال قبل را با مدل افت ولتاژ ثابت حل کنید Figure 3.16 The constant-voltage-drop model of the diode forward characteristics and its equivalent-circuit مدل سیگنال کوچک در برخی کاربردها دیود بایاس میشود تا در یک نقطه کار dc قرار بگیرد و سپس یک مقدار acکوچک به آن اضافه میشود. در چنین مواقعی معموال از مدل افت ولتاژ ثابت استفاده میشود تا نقطه کار دیود مشخص گردد سپس مشخصه دیود با خطی که شیب آن در نقطه کار از روی منحنی بدست میآید تقریب زده میشود. مدل سیگنال کوچک Figure 3.17 Development of the diode small-signal model. Note that the numerical values shown are for a استفاده از افت ولتاژ مستقیم دیود برای تنظیم ولتاژ تنظیم کننده ولتاژ (رگوالتور) مداری است که یک مقدار ولتاژ dcثابت بین دو ترمینال آن برقرار میکند .این ولتاژ باید علیرغم تغییرات در جریانی که بار از ترمینال تنظیم کننده ولتاژ میکشد و همچنین در صورت تغییر ولتاژ ورودی به تنظیم کننده ولتاژ ،ثابت بماند. از آنجائیکه در حالیکه علیرغم تغییرات زیاد در جریان دیود در حالت گرایش مستقیم ولتاژ دوسرآن تقریبا در مقدار 0.7ولت ثابت باقی میماند؛ میتوان از دیود بعنوان یک رگوالتور ساده استفاده نمود. مثال در مدار شکل زیرولتاژ تغذیه دارای مقدار dcبرابر با 10 ولت و یک ولتاژ سینوسی با پیک 1ولت است .با فرض مقدار تغییر در ولتاژ دوسر دیودچقدر است؟ Figure 3.18 (a) Circuit for Example 3.6. پاسخ با فرض VD=0.7داریم: در این نقطه مقاومت دیود برابر است با با استفاده از مدل سیگنال کوچک دیود داریم: مالحظه میشود که تغییرات ولتاژ دو سر دیود علیرغم 1ولت تغییرات در ولتاژ منبع بسیار کم است. Figure 3.18 (b) Circuit for calculating the dc operating point. (c) Small-signal equivalent circuit. سری کردن چند دیود برای افت ولتاژ بیشتر در مدار شکل زیر با سری کردن 3دیود میتوان به افت ولتاژ 2.1ولت رسید .اگر ولتاژ منبع 10درصد تغییرات داشته باشد مقدار تغییرات ولتاژ رگوالتور برابر است با: جریان دیود ها: مقدار مقاومت هر دیود: این مقاومت ها با هم سری میشوند. مقدار تغییرات سیگنال کوچک برابر است با: Figure 3.19 Circuit for Example 3.7. سری کردن چند دیود برای افت ولتاژ بیشتر با وصل کردن بار Rlاین مقاومت جریانی برابر با تقریبا 2.1maخواهد کشید که جریان دیود ها را به همین مقدار کاهش خواهد داد. اینکار باعث میشود تا ولتاژ voنیز بصورت زیر تغییر کند: سهم هر دیود از افت ولتاژ برابر با 13.2mVاست که باعث میشود تا فرض سیگنال کوچک دیگر درست نباشد. در اینصورت باید از آنالیز مدل نمائی استفاده نمود که مقدار تغییر ولتاژ را بصورت زیر بدست میدهد که البته تفاوت چندانی ندارد. Figure 3.19 Circuit for Example 3.7. دیود زنر شیب تند جریان در ناحیه شکست دیود و تغییر بسیار کم ولتاژ در این ناحیه باعث میشود تا بتوان از دیود در ناحیه شکست بعنوان رگوالتور ولتاژ استفاده نمود. دیود زنر دیودی است که طراحی شده تا در ناحیه شکست کار کند. در کار بردهای معمولی این دیود کاتد به ولتاژ باالتری نسبت به آند وصل میشود در نتیجه جریانی مطابق شکل از آن عبور خواهد کرد. Figure 3.20 Circuit symbol for a zener diode. دیود در ناحیه شکست مطابق منحنی ولتاژ-جریان دیود، وقتی که جریان معکوس دیود از مقدار Izkبیشتر میشود ،این منحنی تقریبا بصورت یک خط راست در می آید. معموالهردیود زنر برای یک ولتاژ بخصوص طراحی میشود. مثال دیودزنر 6.8در ولتاژ معکوس 6.8ولت جریان معکوس 10mAرا از خود عبور خواهد داد .با تغییر جریان مقدار ولتاژ دوسردیودنیز تغییر خواهد نمود. Figure 3.21 The diode i–v characteristic with the breakdown region shown in some detail. مدل دیود زنر در ناحیه شکست مدل دیود در ناحیه شکست در شکل مقابل آورده شده است: مقاومت rzمقاومت دیود زنر درنقطه کار است که معموال بسیار کم و در حد چنداهم است. ولتاژ Vzمعموال در حد چند ولت تا چند صد ولت در نظر گرفته میشود. برای هر دیود زنر مقدار توانی که میتواند تلف کند توسط سازنده تعیین میشود. مدل دیود درناحیه شکست بصورت است Vzo .معموال نزدیک به Vzاست. Figure 3.22 Model for the zener diode. مثال در شکل زیر مقدار Voدر حالت بی باری چقدر است. مقدار Line Regulationیا چقدر است. مقدار Load Regulationیا تغییرات ولتاژ در اثر اتصال باری که 1mAجریان میکشد چقدراست. مقدار Voبرای بارهای 2K , 0.5Kاهم چقدر است. مقدار حداقل RLبرای اینکه دیود درناحیه زنر باقی بماند چقدر است؟ Figure 3.23 (a) Circuit for Example 3.8. پاسخ با قراردادن مقادیر فوق در رابطه مقدار جریان در حالت بی باری: لذا: برای تغییر +-1Vدر ولتاژ منبع داریم: لذا: Figure 3.23 (b) The circuit with the zener diode replaced with its equivalent circuit model. پاسخ وقتی که بار جریان 1mAرا بکشد جریان زنر به همین اندازه کم خواهد شد. برای بار 2kمقدار تقریبی جریان برابر است با این جریان از دیودکم میشود لذا: Figure 3.23 (b) The circuit with the zener diode replaced with its equivalent circuit model. پاسخ برای مقاومت 0.5کیلو اهم مقدار جریان برابر است با: اما این امکان پذیرنیست زیرا جریان Rبرابربا 6.4mAاست. در اینصورت زنر قطع بوده و مقدار ولتاژ برابر خواهد بود با: برای اینکه زنر در حالت شکست باقی بماند باید جریان آن از Iz=0.2و ولتاژ آن از Vzk=6.7کمتر نشود .در کمترین مقدار ولتاژ منبع مقدار جریان Rبرابر است با در نتیجه مقدار جریان بار برابر است با ودر آخر مدارات یکسو ساز اصلی ترین کاربرد دیود درمدارات یکسوساز است. در این مدار با استفاده از یک ترانسفورمر برق شهر تا حد الزم کاهش داده میشود .نسبت کاهش ممکن است در حدود 15:1نیز باشد. ترانسفورمر عالوه بر کاهش ولتاژ ،مدارات دو طرف را از لحاظ الکتریکی نیز عایق میکند که خطر برق گرفتگی در طرف مصرف کننذه را کاهش میدهد. )220V (rms 50Hz Figure 3.24 Block diagram of a dc power supply. مدارات یکسو ساز خروجی ترانسفورمر به یک مدار یکسوساز دیودی وصل میشود که ولتاژ Acرا به dcتبدیل میکند. اگرچه خروحی یکسوساز دیودی dcاست اما دارای نوسان زیادی است که برای مدارات الکترونیکی مناسب نیست .برای کاهش این نوسان از یک مدار فیلتر استفاده میشود. معموال خروجی فیلتر دارای نوسان اندکی خواهدبود که rippleنامیده میشود .برای حذف آن از یک مدار رگوالتور استفاده میشود. )220V (rms 50Hz Figure 3.24 Block diagram of a dc power supply. یکسوساز نیم موج یکسوساز نیم موج جریان را برای نصف سیکل .موج ورودی هدایت میکند Figure 3.25 (a) Half-wave rectifier. (b) Equivalent circuit of the half-wave rectifier with the diode replaced with its batteryplus-resistance model. (c) Transfer characteristic of the rectifier circuit. (d) Input and output waveforms, assuming that rD ! R. یکسوساز تمام موج این مدار در هر دو نیمه موج سینوسی هدایت میکند. برای ایجاد ولتاژ dcباید جریان سیکل منفی تغییر عالمت داده شود. در این مدار از ترانسفورمری استفاده میشود که طوری پیچیده شده است تا دو خروجی یکسان تولید نماید. وقتی که ورودی مثبت است هر دو سیگنال خروجی ترانسفورمر مثبت هستند در نتیجه D1هدایت کرده و D2قطع خواهد بود .در اینحالت جریان D1همانند یک یکسوساز نیم موج وارد بار میشود. وقتی که ورودی منفی میشود هر دو سیگنال خروجی ترانسفورمرنیز منفی شده در نتیجه D2هدایت کرده و D1قطع خواهد بود .در اینحالت جریان D2وارد بار میشود. توجه شود که جریان بار در هر دو حالت در یک جهت جریان داشته و ازطریق مقاومت بار وارد ترانسفورمر میشود. Figure 3.26 Full-wave rectifier utilizing a transformer with a center-tapped secondary winding: (a) circuit; (b) transfer characteristic assuming a constant-voltage-drop model for the diodes; (c) input and output waveforms. یکسوساز تمام موج اگر افت ولتاژ دیود VDباشد ،در اینصورت منحنی مشخصه تبدیل یکسوساز تمام موج بصورت زیر خواهد شد. برای پیدا کردن ( PIVحداکثرولتاژ معکوس) وقتی که D1هدایت میکند و D2قطع است ،ولتاژ کاتد D2برابر Voو آند آن برابر –vsخواهد شد. لذا ولتاژ معکوس D2برابر خواهد شد که ماکزیمم آن برابر است با: لذا: یکسوساز پل یک مدار دیگر برای یکسوساز تمام موج مدار پل است که در آن بجای یک ترانسفورمر با سروسط از یک ترانسفورمر معمولی استفاده میشود .اما در مقابل به 4دیود نیاز دارد. Figure 3.27 The bridge rectifier: (a) circuit; (b) input and output waveforms. طرز کاریکسوساز پل دیودی در سیکل مثبت ورودی Vsنیز مثبت بوده و D1هدایت کرده و جریان را از طریق Rو D2عبور میدهد .در این حالت D3,D4قطع خواهند بود. چون دو دیود درمسیر جریان قرار دارند، خروجی به اندازه افت دو دیود از Vsکمتر خواهد بود. طرز کاریکسوساز پل دیودی در سیکل منفی ورودی Vs ،نیز منفی بوده و D3 هدایت کرده و جریان را از طریق Rو D4عبور میدهد .در این حالت D1,D2قطع خواهند بود. جریان بار در هر دو سیکل در یک جهت هدایت خواهد کرد درنتیجه خروجی دارای مقدار dcمثبت خواهد بود. ولتاژ معکوس D3را میتوان از حلقه D3,R,D2بدست آورد: در نتیجه مقدار ماکزیمم آن برابر است با: خالصه ویژگی های یکسوساز پل به یک ترانسفورمربا سروسط نیاز ندارد. ولتاژ روشن شدن باالئی دارد حد اکثر ولتاژ معکوس آن در اکثر مدارات عملی از آن استفاده میشود. معموال میتوان 4دیودپل را در یک بسته بندی تهیه کرد. یکسوساز همراه با فیلتر خازنی برای کاهش تغییرات ولتاژ dcدر خروجی یکسوساز میتوان از یک خازن که با بار موازی است استفاده نمود. در شکل مقابل اگر دیود ایده آل باشد با افزایش ورودی خروجی نیز زیاد میشود تا به مقدار پیک Vpبرسد .با کاهش ورودی ،دیود در گرایش معکوس قرار گرفته و قطع میشود. در مدار فوق چون مسیری برای خالی کردن خازن وجود ندارد ،خروجی برابر با مقدار Vpشده و همانقدر باقی خواهد ماند. Figure 3.28 (a) A simple circuit used to illustrate the effect of a filter capacitor. (b) Input and output waveforms assuming an ideal diode. Note that the circuit provides a dc voltage equal to the peak of the input sine wave. The circuit is therefore known as a peak rectifier or a peak detector. یکسوساز همراه با فیلتر خازنی اگر به مدار قبل مقاومت بار R وصل شود ،وقتی که دیود قطع میشود خازن از طریق مقاومت خالی خواهد شد .اینکار تا آنجا ادامه خواهد داشت که ورودی از مقدار باقی مانده ولتاژ خازن بیشتر شود .در اینصورت دوباره دیود هدایت کرده و خازن را تا مقدار Vpشارژ خواهد کرد. برای اینکه در زمانی که دیود قطع است خازن بطور کامل خالی نشود، خازن باید طوری انتخاب شود که ثابت زمانی RCاز زمان تخلیه خیلی بیشتر باشد. Figure 3.29 Voltage and current waveforms in the peak rectifier circuit with CR @ T. The diode is assumed ideal. تحلیل فیلتر اگر CR>>Tباشد ( Tپریود سیگنال ورودی باشد) داریم: دیود در مدت کوتاهی هدایت کرده و باری را که خازن درمدت بلندتر تخلیه از دست داده جبران میکند.دیود در t1هدایت و در t2قطع میشود. تحلیل فیلتر اگر نوسان ولتاژ خروجی کوچک باشد: ولتاژ متوسط خروجی برابر است با: در مدت قطع بودن دیود داریم: و درانتهای زمان تخلیه داریم: اگر RCخیلی بزرگ باشد تقریبا داریم: در اینصورت: برای زمان هدایت دیود اگر آنرا باندازه کافی کوچک بدانیم داریم: تحلیل فیلتر برای تعیین جریان متوسط دیود داریم: دیود باری برابر با مقدار زیر به خازن تحویل میدهد: در زمان تخلیه خازن بار زیر را از دست میدهد: با استفاده از روابط باال داریم: یکسو کننده دقیق :سوپر دیود مدارات یکسو کننده ای که بررسی شد قادر نیستند سیگنالهای کوچک رایکسو کنند زیرا تا ورودی به 0.7 نرسد دیود در حالت قطع خواهدبود. در مدار مقابل به محض اینکه ورودی مثبت میشود خروجی مثبت شده و دیود هدایت میکند و یک فیدبک منفی بین خروجی و ورودی منفی برقرار میشود .در واقع به محض اینکه ورودی از مقدار 0.6تقسیم بر گین مدارباز اپ امپ بیشتر شود دیود شروع به هدایت خواهد نمود. اگر ورودی منفی شود خروجی نیز منفی شده و دیود قطع میشود .در نتیجه ولتاژ خروجی صفر شده و جریان بار نیز صفر میشود .این باعث میشود تا اپ امپ بصورت مدار باز کار کند و خروجی آن در اشباع منفی قرار گیرد. مشخصه این مدار در شکل مقابل نشان داده شده است. Figure 3.31 The “superdiode” precision half-wave rectifier and its almost-ideal transfer characteristic. Note that when vI > 0 and the diode conducts, the op amp supplies the load current, and the source is conveniently buffered, an added advantage. Not shown are the op-amp power supplies. مدار محدود کننده مداری است که در محدوده معینی بصورت خطی عمل کرده و خروجی آن بصورت KViعمل میکند که K<=1است .ولی وقتی که ورودی از این محدوده خارج میشود خروجی را درمقدار مشخصی ثابت نگه میدارد. انواع مختلفی از محدود کننده ولتاژ را میتوان با دیود و زنر ساخت. کاربرد این مدار در محافظت از ورودی به مدارات دیگر نظیر اپ امپ ها در مقابل اضافه ولتاژ است. Figure 3.32 General transfer characteristic for a limiter circuit. Figure 3.33 Applying a sine wave to a limiter can result in clipping off its two peaks. مثالهائی از محدود کننده ولتاژ Figure 3.35 A variety of basic limiting circuits. مدار کلمپ خازنی در مدار شکل زیر که مشابه فیلتر خازنی است ،خروجی به جای خازن از دیود گرفته شده است .وقتی که وردی برای مثال برابر با -6ولت میشود دیود هدایت کرده و Vo=0 میشود .در این حالت خازن شارژ میشود .جهت نصب دیود باعث میشود تا پوالریته ولتاژی که خازن به آن شارژ میشود بصورت نشان داده شده در شکل باشد. در سیکل مثبت ورودی دیود قطع شده و خروجی برابر با مجموع ولتاژ منبع و ولتاژ خازن یعنی Vo=+10میشود. بدین ترتیب مقدار سطح باال و پائین خروجی نسبت به ورودی جابجا میشود. با تعویض جهت دیود خروجی بین 0 , -10قرار میگیرد. Figure 3.36 The clamped capacitor or dc restorer with a square-wave input and no load. مدار کلمپ خازنی با افزودن مقاومت بار به مدار کلمپ خروجی تغییرات زیادی میکند. Figure 3.37 The clamped capacitor with a load resistance R. مدار دو برابر کننده ولتاژ مدار شکل مقابل از یک کلمپ ) (C1,D1و یک پیک دیتکتور )(C2,D2 تشکیل شده است .مدار کلمپ باعث میشود تا ولتاژ دیود D1بافرض ایده آل بودن دیود مطابق شکل bشود. با اعمال این ولتاژ به پیک دیتکتور خروجی در مقدار پیک ) (-2VPثابت باقی خواهد ماند. Figure 3.38 Voltage doubler: (a) circuit; (b) waveform of the voltage across D1. فیزیک دیود دیود های نیمه هادی از یک پیوند pnساخته میشوند که از کنار هم قرار گرفتن یک نیمه هادی نوع pبا یک نیمه هادی نوع nساخته میشوند. امروزه عمده مدارات نیمه هادی از سیلیکون ساخته میشوند. )Figure 3.39 Simplified physical structure of the junction diode. (Actual geometries are given in Appendix A. سیلیکون طبیعی سیلیکون طبیعی دارای یک ساختار شبکه ای است که در آن هر اتم سیلیکون توسط پیوندهای کوواالنسی با چهار .اتم دیگر پیوند برقرار میکند حرارت باعث،در دمای اتاق میشود تا تعدادی از پیوندهای کوواالنسی شکسته شده و .الکترونهای آزاد بوجود آیند Figure 3.40 Two-dimensional representation of the silicon crystal. The circles represent the inner core of silicon atoms, with +4 indicating its positive charge of +4q, which is neutralized by the charge of the four valence electrons. Observe how the covalent bonds are formed by sharing of the valence electrons. At 0 K, all bonds are intact and no free electrons are available for current conduction. حفره و الکترون وقتی که یک پیوند کوواالنسی شکسته میشود، یک الکترون اتم اصلی خود را ترک میکند آنچه که بر جای میماند یک اتم با بار مثبت است که آماده پذیرش یک الکترون را دارد .این محل خالی یک حفره نامیده میشود. این حفره میتواند توسط الکترونی که از اتم دیگری جدا شده پرشود .اینکار باعث میشود تا حفره در محل دیگری تشکیل شود .بدین ترتیب با جابجا شدن الکترونها حفره ها هم جابجا خواهند شد .یعنی جریانی از حفره ها! مقداربارالکتریکی حفره برابر با بار الکترون اما مثبت است .در عمل تعداد حفره ها و الکترونهای آزاد با هم برابرهستند لذا بارالکتریکی کل نیمه هادی برابر با صفر است. Figure 3.41 At room temperature, some of the covalent bonds are broken by thermal ionization. Each broken bond gives rise to a free electron and a hole, both of which become available for current conduction. تولید و ترکیب در حالت تعادل حرارتی پدیده تولید الکترون آزاد و ترکیب الکترون و حفره با نرخ واحدی رخ میدهند. در یک درجه حرارت مشخص تعداد حفره ها و الکترونها برابر است با: که niبرای نیمه هادی خالص از رابطه زیر حساب میشود: در دمای اتاق داریم: فقط یکی از هر میلیارد الکترون آزاد است پدیده های Diffusionو ِDrift الکترون و حفره بر مبنای دو پدیده در داخل نیمه هادی حرکت میکنند: :Diffusionاگر تعداد الکترونها و حفره ها در بخش هائی از یک نیمه هادی برابر نباشند ،الکترونها از جائی که بیشتر هستند به سمت محلی که الکترون کمتری دارد حرکت خواهند کرد .این پدیده نفوذ نامیده میشود که باعث جریانی به نام جریان نفوذی میگردد. البته در یک نیمه هادی خالص در تمام نقاط توازن بین حفره و الکترون وجود داشته و چنین پدیده ای رخ نمیدهد. مثالی از پدیده نفوذ در نیمه هادی شکل زیر با اعمال ناخالصی ترکیب حفره ها در طول نیمه هادی به هم خورده است .وجود این نایکنواختی باعث میشود تا جریانی از حفره در امتداد xبوجود آید .مقدار جریان با شیب پروفایل غلظت حفره ها مرتبط خواهد بود: qبار الکتریکی الکترون Dpمقداری است ثابت Jpدانسیته جریان رابطه مشابه برای جریان الکترون Figure 3.42 A bar of intrinsic silicon (a) in which the hole concentration profile shown in (b) has been created along the x-axis by some unspecified mechanism. پدیده drift Drift یا رانش مکانیزم دیگری است که باعث بوجود آمدن جریان درداخل نیمه هادی میشود. رانش ناقلها هنگامی اتفاق می افتد که یک میدان الکتریکی به دوسر نیمه هادی اعمال میشود .الکترونها و حفره ها در اثر این میدان شتاب گرفته و به سرعتی میرسند که سرعت رانش گفته میشود. حفره ها در اثر میدان Eدرراستای آن به سرعتی برابر با میرسند .در این رابطه mpموبیلیتی حفره ها بوده و برحسب cm2/msبیان میشود. جریان رانش اگر در یک نیمه هادی چگالی حفره ها برابر با pو چگالی الکترونها برابر با nبوده و به این نیمه هادی میدان الکتریکی Eاعمال شود هر دو ناقل مجبور به حرکت خواهند شد، ناقلهای مثبت یا همان حفره ها در جهت میدان و ناقلهای منفی یا الکترونها در خالف جهت آن. مقدار این جریان برای حفره برابر است با و برای الکترونها داریم: در نتیجه کل جریان حاصل از رانش برابر خواهد بود با: افزودن ناخالصی به نیمه هادی در یک نیمه هادی خالص تعداد حفره ها و الکترونها برابر است .اما میتوان با افزودن ناحالصی به نیمه هادی این برابری را به هم زد. یک نیمه هادی ناخالص که تعداد الکترونهای آزاد آن بیشتر از حفره هایش باشد n-typeو نیمه هادی با کثریت حفره ها p- typeنامیده میشود. برای ساختن نیمه هادی نوع nبه سیلیکون یک ناخالصی مثل فسفر که در الیه والنس خود 5الکترون دارد اضافه میشود. افزودن ناخالصی به نیمه هادی با افزودن ناخالصی ،اتم های فسفر جایگزین برخی ازاتم های سیلیکون شده و هر یک با 4چهار اتم های مجاور پیوند کوواالنسی برقرار میکنند .اما فقط 4الکترون الیه آخر آن در پیوند با 4همسایه شرکت کرده و یک الکترون الیه آخر بصورت آزاد باقی میماند که باعث تبدیل نیمه هادی به نوع nمیشود. ناخالصی مثل فسفر که یک الکترون آزاد به نیمه هادی اضافه میکند Donerنامیده میشود. Figure 3.43 A silicon crystal doped by a pentavalent element. Each dopant atom donates a free electron and is thus called a donor. The doped semiconductor becomes n type. افزودن ناخالصی به نیمه هادی اگر غلظت اتمهای بخشنده برابر NDباشد در حالت تعادل حرارتی غلظت الکترونهای آزاد برابرخواهد بود با بر طبق اصول فیزیک نیمه هادی ها در تعادل حرارتی حاصلضرب غلظت الکترون و حفره ثابت است: لذا تعداد حفره های حاصل از یونیزه شدن حرارتی برابر است با: نیمه هادی ناخالص از لحاظ الکتریکی خنثی است زیرا بار حاملهای اکثریت با بار اتمها خنثی میشود. نیمه هادی نوع p اگر ناخالصی اضافه شده ماده ای نظیر برم باشد که تعداد الکترونهای الیه آخر ان 3عدد است ،هر اتم ناخالصی فقط با 3اتم سیلیکون پیوند کوواالنسی برقرار کرده و ایجاد یک حفره خواهد نمود. تعداد این حفره ها در تعادل حرارتی با غلظت اتمهای ناخالصی رابطه دارد: تعداد الکترونهای آزاد برابر است با: Figure 3.44 A silicon crystal doped with a trivalent impurity. Each dopant atom gives rise to a hole, and the semiconductor becomes p type. پیوند pnدر حالت مدار باز اگر دو قطعه نیمه هادی نوع nو pبه هم متصل شوند ،در محل اتصال غلظت الکترونها و حفره ها با هم برابر نبوده و لذا حفره ها از ناحیه pبه سمت ناحیه n حرکت کرده و یک جریان نفوذی از pبه سمت nخواهیم داشت. به همین ترتیب الکترونها نیز از ناحیه nبه ناحیه pنفوذ خواهند نمود و یک مولفه دیگر به جریان نفوذی اضافه خواهند کرد .مجموع این دوجریان یک جریان نفوذی برابر با IDایجادخواهد کرد. Figure 3.45 (a) The pn junction with no applied voltage (open-circuited terminals). (b) The potential distribution along an axis perpendicular to the junction. ناحیه تخلیه حفره هائی که از ناحیه pبه ناحیه nنفوذ میکنند به سرعت با الکترونهای آزادی که به وفور در این ناحیه وجود دارند ترکیب شده و تعدادی از آنها را از گردونه فعالیت خارج میکنند .این امر باعث میشود تا حالت تعادلی که قبال بین الکترونها و بارهای مثبت این ناحیه وجود داشت از بین رفته و در مرز بین دو ناحیه، منطقه ای بوجود آید که فاقد الکترون آزاد باشد .در نتیجه این قسمت از لحاظ الکتریکی خنثی نبوده ودارای بار مثبت خواهد شد. به این ناحیه ناحیه تخلیه گفته میشود. پدیده مشابهی برای الکترونهائی که از ناحیه nبه ناحیه pنفوذ میکنند رخ داده و باعث میشود تا یک ناحیه تخلیه فاقد حفره در نزدیکی مرز بوجود آید. وجود بار مثبت و منفی در اطراف ناحیه تخلیه باعث میشود تا یک میدان الکتریکی در این ناحیه بوجود آید. Figure 3.45 (a) The pn junction with no applied voltage (open-circuited terminals). (b) The potential distribution along an axis perpendicular to the junction. مقدار ولتاژ ناحیه تخلیه در غیاب میدان الکتریکی خارجی ،ولتاژ ناحیه تخلیه عبارت است از: که مقدار آن برای سیلیکون در درجه حرارت معمولی برابر با 0.6تا 0.8ولت است. توجه شود که اگر ولتاژ دو سر یک دیود در حالت باز اندازه گیری شود برابر با صفر خواهد بود زیرا در نقطه اتصال فلز به نیمه هادی ولتاژ کنتاکتی وجود دارد که مقدار آن دقیقا برابر با این ولتاژ خواهد شد. عرض ناحیه تخلیه عرض ناحیه تخلیه در دو طرف یکسان نبوده و بستگی به مقدار ناخالصی دو طرف دارد .اگر سطح مقطع این ناحیه A باشد برای برقراری تعادل الکتریکی داریم: بعلت اختالف زیاد غلظت دو طرف ممکن است عمده ناحیه تخلیه در یکطرف نیمه هادی قرار بگیرد .عرض کل ناحیه از رابطه زیر بدست می آید که معموال بین 0.1تا 1میکرومتر است ناحیه پیوندی pnتحت ولتاژ معکوس اگر رفتار دیود در گرایش معکوس را با منبع جریانی برابر با Is نشان دهیم ،این جریان باید توسط مدار خارجی الکترونها را از ناحیه nبه ناحیه pببرد .خروج الکترون از ناحیه nباعث خواهد شد تا تعداد بارهای مثبت آن افزایش یابد که خود به معنای اضافه شدن به عرض ناحیه تخلیه است. اتفاق مشابهی برای حفره ها در ناحیه pمی افتد و با حذف آنها از این ناحیه عرض ناحیه تخلیه زیاد شده و در نتیجه ولتاژ ناحیه تخلیه نیز افزایش یافته و باعث کاهش جریان نفوذی در ناحیه تخلیه میشود. Figure 3.46 The pn junction excited by a constant-current source I in the reverse direction. To avoid breakdown, I is kept smaller than IS. Note that the depletion layer widens and the barrier voltage increases by VR volts, which appears between the terminals as a reverse voltage. پیوند pnدر ناحیه شکست اگر به دیود جریان معکوسی بزرگتر از Isاعمال شود ،دو پدیده جدید با نامهای اثر زنر و اثر بهمنی در دیود اتفاق میافتند .پدیده زنر برای دیود هائی اتفاق میافتد که ولتاژ شکست آنها کمتر از 5 ولت باشد .وقتی که ولتاژ معکوس از این حد فراتر میرود میتواند باعث شکسته شدن پیوند کوواالنسی و آزاد شدن الکترون حفره در ناحیه پیوندی شود .تعداد آنها بقدری خواهد بود که جریان مورد نیاز مدار خارجی در ناحیه شکست را تامین نمایند. پدیده بهمنی وقتی اتفاق می افتد که الکترونها تحت تاثیر میدان خارجی از پیوند خود جدا شده و با سرعت به حرکت در می آیند .این الکترونهای سریع در اثر برخورد با اتمهای مجاور باعث ازاد شدن حفره الکترون دیگری میشوند که به نوبه خود میتواند الکترونهای دیگری را آزاد کند. مقدار جریانی که در این پدیده ها از دیود عبور میکند توسط مدار خارجی محدود خواهد شد. Figure 3.48 The pn junction excited by a reverse-current source I, where I > IS. The junction breaks down, and a voltage VZ , with the polarity indicated, develops across the junction. پیوند pnدر گرایش مستقیم در گرایش مستقیم جهت جریان بگونه ای است که باعث تزریق الکترون به ناحیه nو حفره به ناحیه pمیشود .تزریق حاملهای اکثریت باعث میشود تا تعدادی از بارهای ناحیه تخلیه خنثی شده و از عرض ان کاسته شود. با کاسته شدن عرض ناحیه تخلیه ولتاژ barrierآن کاسته شده و اجازه عبور تعداد بیشتری حفره و الکترون از این ناحیه داده میشود که باعث افزایش جریان نفوذی میگردد. Figure 3.49 The pn junction excited by a constant-current source supplying a current I in the forward direction. The depletion layer narrows and the barrier voltage decreases by V volts, which appears as an توزیع حاملهای تزریق شده تزیق حاملهای اقلیت به نواحی باعث میشود تا غلظت آن در هر ناحیه از مقدار تعادل حرارتی بیشتر شود که توزیع آن مطابق شکل زیر خواهد بود .این توزیع باعث افزایش جریان نفوذ و بیشتر شدن آن از مقدار Isمیشود. Figure 3.50 Minority-carrier distribution in a forward-biased pn junction. It is assumed that the p region is more heavily doped than the n region; NA @ ND. رابطه جریان و ولتاژ دیود توزیع حاملها در گرایش مستقیم در لبه ناحیه تخلیه از رابطه زیر پیروی میکند. و مقدار آن برای سایر نواحی بر اساس فاصله از رابطه زیر تبعیت میکند LED در یک پیوند PNکه در گرایش مستقیم قرار داشته باشد تعداد زیادی الکترون و حفره از مرز پیوند عبور کرده و با حفره و الکترونهای ناحیه مجاور ترکیب میشوند .در اثر این ترکیب به شرط داشتن یک bandgapمناسب مقداری نور تولید میشود. دیود LEDبنحوی ساخته میشود که این نور قابل مشاهده باشد. دیود نوری )(photodiode این دیود ها برای تشخیص نور ساخته میشوند .دارای محفظه ای هستند که نور را به سطح پیوند میتاباند. این دیود در گرایش معکوس مورد استفاده قرار میگیرد .فوتون های نوری که به ناحیه تخلیه میتابد باعث تولید الکترون و حفره میشوند که به سرعت توسط میدان الکتریکی اعمالی جذب میشوند. اگر عرض ناحیه تخلیه نسبت به عرض دیود بسیار کم باشد جریانی که در ناحیه پیوند ایجاد میشود با شدت نور متناسب خواهد بود. معموال از مواد نیمه هادی نظیر گالیم آرسناید ساخته میشوند.