28 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA 2. IOA GJYSMËPËÇUESE 2.1 IOA IEALE ioda është komponenti më i thjeshtë gjysmëpërçues, por luan rol shumë vital në sistemet elektronike. Karakteristikat e diodës mund të krahasohen me ato të një ndërprerësi (ventili) të thjeshtë. ioda si komponentë gjysmëpërçuese zbatohet në një brez shumë të gjerë, prej sistemeve më të thjeshta gjerë te ato më komplekset. Para se të shqyrtohen konstruksioni dhe karakteristikat e komponentës aktuale, së pari do të analizohet dioda ideale. ioda ideale është komponentë me dy terminale karakteristikat dhe simboli i së cilës janë paraqitur në Fig. 2.1.a dhe b. Fig. 2.1 ioda ideale: (a) simboli; (b) karakteristikat tension-rrymë Për qarqet që do të analizohen, gjatë paraqitjes së karakteristikave tensionrrymë, ordinata do të jetë boshti i rrymës, ndërsa abshisa boshti i tensionit. Pra, dioda do të përçoj nëse tensioni në skajet e saja (anodë A dhe katodë K) është pozitiv, U AK > 0, dhe në këtë rast rryma është e pakufizuar. Në të kundërtën, pra për tensione negative, U AK < 0, dioda nuk përçon dhe rryma që kalon nëpër te është zero.
2. ioda gjysmëpërçuese 29 Një ndër parametrat më të rëndësishëm të diodës është rezistenca në pikën ose regjionin e punës. Nëse e trajtojmë regjionin e definuar me drejtimin e rrymës i d dhe me polaritetin e tensionit v d në Fig. 2.1.b, caktohet vlera e rezistencës për polarizim të drejtë, f, e definuar sipas ligjit të Ohm-it si f V I f f 2,3, ma, 0 ose cilado vlerë pozitive e rrymës 0 ku V f është tensioni në diodë dhe I f rryma që kalon nëpër diodë. Pra dioda ideale paraqet lidhje të shkurtë për regjionin me polarizim të drejtë (i d 0, v d = 0). Nëse tani shqyrtojmë regjionin me tension negativ të zbatuar (kuadranti i tretë) do të kemi r Vr 5, 20, V ose cilido tension revers I 0 r ku V r është tensioni revers në diodë dhe I r është rryma reverse nëpër diodë. Kësisoj pra, dioda ideale paraqet qark të hapur në regjionin e mospërcjelljes (v d < 0, i d = 0). Në përgjithësi, është relativisht thjeshtë të gjendet regjioni i punës së diodës (regjioni përçues ose jopërçues) me shënimin e kahut të rrymës në bazë të tensionit të zbatuar. Për kahun e rrjedhjes konvencionale të rrymës (kahja e kundërte lëvizjes së elektroneve), nëse rryma e diodës ka kah të njëjtë me atë të shigjetës në simbolin e diodës, dioda punon në regjionin përçues. Kjo është paraqitur në Fig. 2.2. (a) Fig. 2.2 egjionet e punës së diodës të determinuara nga polarizimi i tensionit të zbatuar në skajet e saja: (a) regjioni përçues dhe (b) regjioni jopërçues (b)
30 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA 2.2 KONSTUKCIONI THEMELO HE KAAKTEISTIKAT E IOËS GJYSMËPËÇUESE ioda gjysmëpërçuese formohet me bashkimin e thjeshtë të materialeve të tipit n dhe p(të konstruktuara në bazë të njëjtë të germaniumit ose silicit) siç është paraqitur në Fig. 2.3. n po n N 2 i a p no n N 2 i d Fig. 2.3 Kontakti pn: (a) gjeometria e thjeshtuar dhe (b) profili ideal me doping uniform Fig. 2.4 Kontakti (lidhja ) p-n pa polarizim të jashtëm
2. ioda gjysmëpërçuese 31 Në momentin kur dy materialet e tipave të ndryshëm bashkohen formojnë të ashtuquajturin kontakt ose lidhje pn. Elektronet e materialit n dhe vrimat e materialit p në regjionin e afërt me kontaktin, me difuzion për shkak të gradientit të lartë të ngarkesave në të dyja anët, rekombinohen në mes veti dhe krijohet një regjion me mungesë të bartësve në afërsi të kontaktit (Fig. 2.4). Në këtë pjesë jonet pozitive të materialit n dhe jonet negative të materialit p mbesin në aspektin elektrik të paneutralizuara dhe formojnë një barrierë potenciale. Ky regjion quhet regjion i varfëruar për shkak të mungesës së bartësve të lirë (Fig. 2.4(b)). Barriera potenciale ose tensioni që paraqitet në këtë hapësirë shprehet me V bi kt NN a d NN a d ln V ln 2 T 2 e ni ni (2.1) ku VT kt / e, k = 1.3806x10-23 J/ o K konstanta e Boltzmann-it, T - temperatura absolute në o Kelvin (K = 273 + o C), e = 1.6022 x 10-19 C ngarkesa e elektronit dhe N a, N d janë koncentrimet e akceptorëve dhe donorëve në regjionet p dhe n. Parametri V T quhet tensioni termik, dhe në temperaturën e dhomës T = 300 o K është V T kt 1.3806x10-23 x300 25.8 mv (2.2) -19 e 1.6022x10 Nëse në qarkun e diodës nuk ka polarizim të jashtëm, bartësit minor të materialit n do të kalojnë në materialin p për shkak të tërheqjes nga jonet negative të këtij materiali të cilat kanë mbetur të pakompenzuara. Në të njëjtën mënyrë edhe bartësit minor nga materiali i tipit p (elektronet) të tërhequra nga jonet pozitive të materialit n do të kalojnë në këtë material. Bartësit kryesor në materialin e tipit n (elektronet) duhet ta kapërcejnë forcën tërheqëse të shtresës së joneve pozitive në materialin e tipit n dhe pengesën e joneve negative në materialin p në mënyrë që të migrojnë në regjionin neutral të materialit të tipit p. Edhe pse numri i bartësve kryesor është mjaftë i madh në materialin e tipit n, një numër shumë i vogël i bartësve kryesor ka energji të mjaftuar që të kaloj përmes regjionit të varfëruar në materialin e tipit p. Në të njëjtën mënyrë bëhet edhe lëvizja e bartësve kryesor nga materiali i tipit p (vrimave) në materialin e tipit n. Nëse në kontaktin pn nuk është zbatuar asnjë tension i jashtëm, difuzioni i elektroneve dhe vrimave pas një kohe duhet të ndërpritet. Kahu i fushës elektrike të induktuar do të shkaktojë një forcë që do t i kundërvihet difuzionit të vrimave nga regjioni p dhe difuzionit të elektroneve nga regjioni n. Baraspesha termike arrihet kur forca e shkaktuar nga fusha elektrike dhe forca e shkaktuar nga gradienti i dendësisë plotësisht balancohen.
32 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA 2.3 KONTAKTI pn ME POLAIZIM TË KUNËT (EVES) Nëse në kontaktin pn zbatohet një potencial i jashtëm prej V voltësh ashtu që terminali pozitiv (anoda) të jetë i lidhur në materialin e tipit n dhe terminali negativ (katoda) në materialin e tipit p, siç është paraqitur në Fig. 2.5, numri i joneve pozitive të pambuluara në regjionin e varfëruar të materialit të tipit n do të rritet për shkak se një numër i madh i elektroneve të lira do të tërhiqet nga potenciali pozitiv i tensionit të zbatuar. Fig. 2.5 Kontakti pn me polarizim të kundërt (revers) Për arsye të njëjtë do të rritet edhe numri i joneve të pambuluara negative në materialin e tipit p. Efekti i tërësishëm është zgjerimi i regjionit të varfëruar. Ky zgjerim i regjionit të varfëruar do të bëjë barrierë edhe më të madhe për bartësit kryesor dhe efektivisht do ta reduktoj rrjedhën e bartësve kryesor në zero (Fig. 2.5). Ndërkaq, lëvizja e bartësve minor do të vazhdoj, sepse vrimat e lira në materialin e tipit n, të shtyra nga potenciali pozitiv i tensionit të zbatuar, do ta kapërcejnë barrierën në regjionin e varfëruar dhe do të kalojnë në materialin e tipit p dhe në këtë mënyrë formohet njëra pjesë e rrymës. Në të njëjtën mënyrë edhe elektronet e lira, si bartës minor në materialin e tipit p e kapërcejnë regjionin e varfëruar dhe shkojnë në materialin e tipit n, duke formuar pjesën tjetër të rrymës. ryma e këtillë, e paraqitur në kushte të polarizimit të kundërt (revers) quhet rryma reverse e ngopjes dhe shënohet me I S (indeksi s vjen nga anglishtja saturation). Madhësia e kësaj rryme është zakonisht disa mikroampera, përveç për komponentët e fuqive të mëdha ku arrin edhe në disa miliampera. Situata e pasqyruar në Fig. 2.5 pra i përgjigjet kushteve të punës së diodës për polarizim të kundërt ose revers. Kur fusha elektrike e jashtme rritet, rritet edhe numri i ngarkesave pozitive dhe negative në regjionin e varfëruar, pra rritet gjerësia Ë e hapësirës rreth kontaktit pn. Për shkak të pranisë së ngarkesave të palëvizshme pozitive dhe negative në këtë hapësirë, kontakti pn me polarizim revers shoqërohet me një kapacitet. Ky kapacitet i kontaktit, ose kapaciteti i shtresës së varfëruar, mund të shkruhet në formën
2. ioda gjysmëpërçuese 33 C C V V j j0 1 bi 1/2 (2.3) Ku C j0 është kapaciteti i kontaktit për tension të zbatuar zero. Veçoria e kontaktit pn që të shoqërohet me një kapacitet i cili mund të ndryshohet me një tension të jashtëm (V ) është shumë e dobishme për ndërtimin e qarqeve rezonante për akordim. iodat e fabrikuara posaçërisht për këtë qëllim quhen varaktor dioda dhe përdoren te oscilatorët për të cilët do të flitet më vonë. 2.4 KONTAKTI pn ME POLAIZIM TË EJTË Kushtet e polarizimit të drejtë të diodës vendosen me zbatimin e potencialit pozitiv në materialin e tipit p dhe potencialit negativ në materialin e tipit n, siç është paraqitur në Fig. 2.6. Fusha e zbatuar elektrike, e induktuar nga tensioni i jashtëm V, është në kah të kundërt me fushën elektrike të barrierës potenciale, prandaj bartësit kryesor elektronet nga regjioni n kalojnë në regjionin p, dhe vrimat nga regjioni p në regjionin n. Ky proces vazhdon derisa të jetë i zbatuar tensioni V, duke krijuar në këtë mënyrë një rrymë në kontaktin pn. uhet të theksohet se madhësia e rrjedhës së bartësve minor në këtë rast nuk ndryshon, por zvogëlimi i gjerësisë së regjionit të varfëruar ka si rezultat një rrjedhë më të madhe të bartësve kryesor nëpër kontakt. Madhësia e rrjedhës së bartësve kryesor do të rritet eksponencialisht me rritjen e polarizimit të drejtë, siç është paraqitur në Fig. 2.7. Fig. 2.6 Kontakti pn me polarizim të drejtë
34 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA uke krahasuar karakteristikat statike të diodës, të paraqitura në Fig. 2.7, me ato të diodës ideale, shihet se kjo diodë ka karakteristika shumë të ngjashme me ato të diodës ideale, posaçërisht kur të merret parasysh shkalla josimetrike e rrymës së diodës i d për polarizim të drejtë dhe rrymës reverse të ngopjes. i d (ma) 40-30 - V Z -30-20 -10 egjioni me polarizim revers 20 10 - - 0 - - - egjioni me polarizim të drejtë 05 1 1.5 V d (V) Fig. 2.6 Karakteristikat statike të diodës gjysmëpërçuese Mund të tregohet se rryma e diodës e shprehur matematikisht në varshmëri të temperaturës (T K ) dhe të polarizimit të zbatuar (V ) është e barabartë me V VT I IS e 1 (2.4) ku I - rryma nëpër diodë A, V - tensioni i diodës, me potencial pozitiv të anodës në krahasim me katodën V, I S - rryma reverse e ngopjes, zakonisht në brezin prej 10-6 deri në 10-5 A, konstantë empirike e njohur si koeficienti i emisionit ose faktori i idealitetit, vlerat e të cilit ndryshojnë nga 1 për materialin e germaniumit dhe = 2 për silic, dhe V T tensioni termik i dhënë me shprehjen (2.2). uhet të theksohet se faktori eksponencial do të shkaktoj rritje të rrëpijshme të rrymës I me rritjen e niveleve të tensionit V. Karakteristikat e diodave komerciale ndryshojnë pak nga ato ideale (shih Fig. 2.7), për shkak të rezistencës së trupit të materialit gjysmëpërçues dhe rezistencës së kontaktit në mes të materialit gjysmëpërçues dhe përçuesit të jashtëm metalik. Këto rezistenca do të shkaktojnë zhvendosje të lakores në regjionin me polarizim të drejtë, siç është paraqitur me vija të ndërprera në këtë figurë.
2. ioda gjysmëpërçuese 35 Për të treguar se ekuacioni (2.1) me të vërtetë paraqet lakoret e Fig. 2.7, të caktojmë rrymën I për tension të polarizimit të drejtë prej 0.5 V në temperaturë të dhomës (T = 25 0 C). I T k S K ( Si) k V T T I I 1A 110 K S C ( e 273 9.732 0 6 A 25 273 298 11.600 5800 2 (5800)(0.5) 9.732 298 1) (1 10 6 0 K )(16848 1) 16.844810 pra rryma e diodës është I 16.8 ma, siç mund të shihet edhe në Fig. 2.7. Temperatura ka ndikim të theksuar në rrymën e diodës (sepse ndryshon koncentrimin e bartësve intrinsik të rrymës) dhe kjo dukuri është përshkruar në mënyrë shumë të qartë me faktorin T K në ekuacionin (2.4). 3 A 2.5 EGJIONI I ZENE-it Ndryshimi i mprehtë në karakteristikat në Fig. 2.7 në potencialin e shënuar me V z të polarizimit revers (indeksi z i përgjigjet emrit Zener) i përgjigjet efektit të induktuar me tensionin e lartë revers të zbatuar në diodë. Kur tensioni i zbatuar bëhet shumë negativ, mund të arrihet një pikë ku një numër i bartësve minor zhvillon shpejtësi të mjaftueshme për të liruar bartës tjerë përmes të jonizimit. Në të vërtetë ata ndeshen me elektrone valente dhe energjinë e vet ia përcjellin këtyre elektroneve ashtu që iu mundësojnë që ta lëshojnë atomin amë. Këta bartës shtesë pastaj në mënyrë të njëjtë i shkëpusin elektronet tjera valente (mungesa e të cilave pastaj në atomet amë manifestohet si jon pozitiv) në formë të ortekut, deri sa të vendoset një rrymë e cila e determinon regjionin e thyerjes. egjioni i ortekut (V z ) mund të ndodhë më afër boshtit vertikal nëse rritet niveli i dopingut në materialet e tipit p dhe n. Ndërkaq, me zvogëlimin e tensionit V z në nivele shumë të ulëta, p.sh. në 5 V, një mekanizëm tjetër i quajtur thyerja e Zener-it, do t i kontribuoj mprehtësisë së karakteristikës. Kjo dukuri paraqitet sepse në regjionin e kontaktit paraqitet një fushë e fortë elektrike e cila mund t i shkëpusë forcat lidhëse (kovalente) brenda atomit dhe të gjeneroj bartës. Edhe pse mekanizmi i thyerjes së Zener-it është i rëndësishëm vetëm në nivelet e ulëta të V z, ky ndryshim i theksuar në karakteristikën reverse të diodës në cilindo nivel quhet regjioni i Zener-it dhe diodat të cilat gjatë punës e shfrytëzojnë këtë pjesë të vetme të karakteristikave të kontaktit p-n, quhen dioda të Zener-it. Ato më vonë do të përshkruhen më hollësisht.
36 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA Në përgjithësi, te diodat e zakonshme, regjioni i Zener-it i përshkruar më lartë, gjatë punës duhet të shmanget nëse nuk dëshirohet që puna e sistemit të ndryshoj tërësisht në mënyrë të padëshiruar me ndryshimin e mprehtë të karakteristikave në regjionin e polarizimit revers. Tensioni maksimal i cili mund të zbatohet para se të arrihet ky regjion quhet tensioni maksimal revers i lejuar. Nëse në ndonjë zbatim kërkohet që ky tension të jetë më i madh se tensioni maksimal revers i deklaruar për diodën individuale, atëherë rekomandohet që disa dioda identike të lidhen në seri. iodat gjithashtu mund të lidhen paralel për ta rritur përçueshmërinë e rrymës më të madhe të kërkuar. iodat e silicit në përgjithësi kanë tensione tension revers më të lartë, rrymë më të madhe lëshuese dhe brez më të gjerë temperaturor se diodat e germaniumit. Në regjionin me polarizim të drejtë, rritja e rrymës fillon në një potencial të caktuar te dioda reale (Fig. 2.7) dhe ky potencial quhet pragu i diodës ose potenciali i kyçjes. Për dioda të silicit ky potencial është V p = 0.7 V ndërsa për ato të germaniumit është V p = 0.3 V. 2.6 EZISTENCA STATIKE ezistenca e diodës në një pikë të caktuar të punës quhet rezistenca statike e diodës dhe është e caktuar me V S (2.5) I 30 - i (ma) d ioda ideale -10 20 10 - - 2 - - ioda reale e silicit 0 0.5 1 1.5 2 A v (V) d Fig. 2.8 Karakteristika e diodës së silicit Për diodën ideale në Fig. 2.8 rezistenca statike, për rrymën i d = 20 ma, është
2. ioda gjysmëpërçuese 37 S V 0 0 I 20 ashtu siç është pritur, ndërsa rezistenca e diodës së silicit është S V 0.8 40 3 I 2010 Në pikën i d = 2 ma, rezistenca e diodës ideale mbetet zero, ndërsa e diodës së silicit tani është S V 0.5 250 3 I 210 ezultati tregon se rezistenca statike e diodës në regjionin e polarizimit të drejtë zvogëlohet me kalimin në brezin e rrymave dhe tensioneve më të larta. Në regjionin me polarizim revers në tensionin v d = -10 V, rezistenca e diodës ideale është e pakufishme (qark i hapur ekuivalent), ashtu siç është përcaktuar me shprehjen S V I 10 0 derisa rezistenca e diodës së silicit është V 10 M 6 I 2 10 S 5 Kjo vlerë e rezistencës statike në shumë zbatime gjithashtu mund të konsiderohet si qark i hapur ekuivalent (rezistencë shumë e madhe). Pasi që të jetë caktuar rezistenca statike e diodës në një pikë të caktuar të punës, dioda mund të zëvendësohet me element rezistiv si në Fig. 2.9, dhe analiza e qarkut pastaj mund të bëhet si çdo analizë e qarkut pa diodë. Fig. 2.9 Zëvendësimi i diodës me rezistencën e saj statike
38 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA 2.7 EZISTENCA INAMIKE Nga Fig. 2.8 është e qartë se rezistenca statike e diodës nuk varet nga forma e lakores së karatekteristikës në regjionin përqark pikës aktuale të punës. Por nëse në hyrje zbatohet tensioni alternativ në vend të tensionit njëkahor, situata plotësisht ndryshon. Hyrja e ndryshueshme do ta lëvizë pikën momentale të punës poshtë-lartë në karakteristikë dhe do ta përcaktoj një ndryshim specifik në rrymë dhe tension, siç është paraqitur në Fig. 2.10. Fig. 2.10 Ndryshimi i tensionit dhe rrymës së diodës me ndryshimin e sinjalit në hyrje Nëse nuk ka sinjal të ndryshueshëm, pika e punës është pika Q në Fig. 2.9, e cila është e caktuar me nivelin e rrymës dhe tensionit të zbatuar njëkahor (V, I ). Vija e drejtë e tërhequr si tangjentë e lakores së karakteristikës në pikën Q,, do të definoj ndryshimet që i pësojnë rryma dhe tensioni, e të cilat do të shërbejnë për caktimin e rezistencës dinamike për këtë regjion të karakteristikeve të diodës. r V I (2.6) Pra, sa më e pjerrët që është karakteristika, do të kemi vlerë më të vogël të V për ndryshim të njëjtë të I dhe njëkohësisht rezistencë më të vogël dinamike. Kështu që në pjesën vertikale të karakteristikës rezistenca është shumë e vogël, ndërsa në nivelet më të ulëta të rrymës, rezistenca dinamike është shumë më e madhe.
2. ioda gjysmëpërçuese 39 Shembulli 2.1 Për karakteristikat e dhëna në Fig. 2.11 të caktohet: (a) rezistenca dinamike për regjionin (1); (b) rezistenca dinamike për regjionin (2) dhe (c) të krahasohen rezultatet e fituara nën (a) dhe (b). Fig. 2.11 Karakteristikat e diodës Zgjidhje (a) Për regjionin (1), ndryshimi i tensionit dhe i rrymës në tangjenten e tërhequr është V I r d1 0.7 0.57 0.15 V 6 1 5 ma V I 0.15 30 3 510 (b) Për regjionin (2) do të kemi V I r d 2 0.8 0.78 0.02 V 30 20 10 ma V I 0.02 2 3 10 10 (c) aporti i rezultateve të fituara nën (a) dhe (b) është r r d1 d 2 30 15 2 ihet se derivati i një funksioni në një pikë të caktuar paraqet pjerrtësinë e tangjentes së tërhequr në atë pikë. Ekuacioni (2.3), i definuar sipas Fig. 2.9, është pra në esencë gjetja e derivatit të parë të funksionit në pikën Q (pikën e punës së diodës). Nëse e gjejmë derivatin e funksionit të përgjithshëm (2.1), për diodën gjysmëpërçuese
40 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA me polarizim të drejtë të zbatuar në te, dhe pastaj e invertojmë rezultatin, do ta fitojmë ekuacionin e rezistencës dinamike për atë regjion. I I d dv di dv S e ( I) k T K kv T K d dv 1 I ( I I S S e ) kv T K 1 Në rastin e përgjithshëm vlen I >> I S, prandaj di dv k T K I Nëse zëvendësohet fitohet Në temperaturën e dhomës 11.600 11.600 k 11.600 η 1 o o o o TK T C 273 25 273 298 ashtu që k T K 38.93 dhe di dv 38.93 I kemi Nëse kërkojmë vlerën reciproke të kësaj shprehjeje si rezistencë ( = V/I) do të dv 0.026 di I dv 26 mv rd di I ma (2.4) Kjo shprehje vlen për të dy llojet e diodave (të germaniumit dhe të silicit). ëndësia e ekuacionit (2.4) duhet të kuptohet qartë. Kjo tregon se rezistenca dinamike mund të caktohet lehtë me zëvendësimin e thjeshtë të vlerës së rrymës së diodës në pikën e punës në këtë ekuacion, ashtu që nuk paraqitet nevoja për karakteristika dhe matje të saktë të prerjeve të tangjentes. Atë që duhet mbajt në mend është tensioni V T = 26 mv, i cili në të vërtetë paraqet tensionin termik të dhënë me ekuacionin e Einstein-it
2. ioda gjysmëpërçuese 41 V T kt e i cili, siç thamë më lartë, për temperaturë normale (të dhomës) merret rreth 25 mv. Për shembullin 1.1 rezistenca dinamike në pikën Q, me rrymë I = 25 ma, është llogaritur 2 Nëse e llogarisim këtë rezistencë me ekuacionin (2.4) do të fitojmë r d 3 2510 V I ma 25 10 25 10 3 3 1 Ω Ndryshimi i rezistencës së llogaritur mund të shpjegohet me ndikimin e rezistencës së trupit të gjysmëpërçuesit dhe rezistencës së kontakteve, siç është theksuar më parë. Qarku ekuivalent i diodës për sinjale alternative është paraqitur në Fig. 2.11. Fig. 2.12 Modeli ekuivalent dinamik i diodës Shembulli 2.2 ioda në qarkun e dhënë ne Fig. 2.13 është e silicit. (a) Të vizatohet modeli ekuivalent për diodën; dhe (b) të llogaritet rryma dhe tensioni në rezistencën. Fig. 2.13
42 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA Zgjidhje (a) Pasi që kemi të bëjmë me tension njëkahor në hyrje të qarkut, modeli ekuivalent përbëhet nga tensioni i pragut V p = 0.7 V, për diodën e silicit, dhe nga rezistenca statike S = 20 kështu që qarku ekuivalent do të duket si në Fig. 2.13a. Fig. 2.14 Vlerat e rezistencave janë të tilla që >> S, ashtu që dioda mund të zëvendësohet vetëm me tensionin e pragut V p (i cili në këtë rast duhet të merret parasysh sepse paraqet 14% të vlerës së tensionit hyrës V = 5 V), prandaj qarku ekuivalent thjeshtohet me modelin në Fig. 2.14.b, ku edhe dioda ideale është marrë si lidhje e shkurtë, pasi që ka polarizim të drejtë. (b) Tensioni në rezistencën është V = V V p = 5 0.7 = 4.3 V ryma do të jetë I I V 4.3 210 3 2.15 ma
2. ioda gjysmëpërçuese 43 2.8 ZBATIMI I IOAVE Për zbatimet e diodave në disa qarqe tipike elektronike, duhet të mbahen në mend modelet e përafërta të punuara më lartë, të cilat janë paraqitur në formë të përmbledhur në Fig. 2.15 dhe Fig. 2.16. Fig.2.15 Karakteristikat e diodës ideale dhe karakteristikat e përafërta të diodës së silicit dhe germaniumit Fig. 2.16 Gjendjet e diodës ideale dhe asaj reale në varshmëri nga polariteti i tensionit të zbatuar
44 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA Nëse në diodë zbatohet tensioni me polaritet negativ të çfarëdo madhësie, të gjitha diodat do të sillen si qark i hapur, pra punojnë në kushte të mospërcjelljes ose themi janë të shkyçura. Për modele të përafërta (jo edhe për ideale), tensionet me polaritet pozitiv por më të vogël se 0.7 V për dioda të silicit dhe 0.3 V për dioda të germaniumit, këto dioda gjithashtu do të sillen si qark i hapur. Për diodën ideale, çdo tension pozitiv i zbatuar rezulton në gjendje të përçueshmërisë (pra dioda paraqet lidhje të shkurtë), ndërsa për modele aproksimative, ky tension duhet të jetë më i madh se 0.7 V për dioda të silicit dhe 0.3 V për dioda të germaniumit. Të analizojmë nivelet e tensioneve dhe rrymave për konfiguracionin në Fig. 2.17. Pyetja e parë me rëndësi është gjendja e diodës si do të sillet ajo: si lidhje e shkurtë apo si qark i hapur për tensionet e zbatuara në atë konfiguracion? Për shumicën e situatave, polariteti i diodës caktohet thjeshtë me zhvendosjen e përkohshme të diodës nga diagrami i qarkut, dhe kahja konvencionale e rrymës do ta përcaktoj gjendjen e diodës. Nëse kahja e rrymës (si në Fig. 2.18) përputhet me shigjetën në simbolin e diodës, dioda ka polarizim të drejtë dhe është e kyçur. Fig. 2.17 Konfiguracioni serik i diodës Fig. 2.18 Caktimi i polaritetit të diodës
2. ioda gjysmëpërçuese 45 Nëse përvetësojmë se E >V p, dioda është e kyçur dhe nga qarku ekuivalent në Fig. 2.18 për tensionin në diodë dhe rezistencë do të kemi V = V p (2.5) V = E - V p (2.6) Ndërsa rryma në qark (dhe nëpër diodë) do të jetë I = I = V / (2.7) Shembulli 2.3 Për qarkun në Fig. 2.19 të caktohen tensionet V, V dhe rryma I. Fig. 2.19 Zgjidhje Pasi që tensioni i zbatuar shkakton rrymë, kahja e së cilës përputhet me kahjen e shigjetës së simbolit të diodës, dioda përçon (është e kyçur), prandaj për tensionet e kërkuara do të kemi V = 0.7 V V = E - V p = 8 0.7 = 7.3 V Ndërsa rryma në qark (dhe nëpër diodë) do të jetë I = I = V / = 7.3/2.2 x 10 3 = 3.32 ma
46 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA Shembulli 2.4 Të përsëritet shembulli 2.3 për diodën e invertuar. Zgjidhje Skema ekuivalente është paraqitur në Fig. 2.20 Fig. 2.20 Pasi që tensioni i zbatuar shkakton rrymë, kahja e së cilës nuk përputhet me kahun e shigjetës së simbolit të diodës, dioda nuk përçon (është e shkyçur), prandaj rryma në qark do të jetë I = I = 0 Ndërsa tensionet e kërkuara do të jenë V =E - V V = I = 0 V =E - V = E = 8 V Shembulli 2.5 Të caktohet tensiono dalës V o dhe rryma I për qarkun në Fig. 2.21a. Fig. 2.21
2. ioda gjysmëpërçuese 47 Zgjidhje Në bazë të tensionit të zbatuar E (E = 12 > 0.7 + 0.3) shihet se rryma ka kah të njëjtë me shigjetat e simboleve të të dy diodave, prandaj qarku ekuivalent do të duket si në Fig. 2.21b. Tensioni V o në dalje është V o = E - V p1 V p2 = 12 0.7 0.3 = 11 V Ndërsa rryma në qark (dhe nëpër diodë) do të jetë I = I = V / = 11/5.6 x 10 3 = 1.96 ma Shembulli 2.6 Për qarkun në Fig. 2.22 të caktohet rryma e diodës, tensioni në skajet e diodës së germaniumit dhe tensioni dalës. Fig. 2.22 Zgjidhje Zhvendosja e diodave nga diagrami i qarkut dhe caktimi i rrymës rezultuese është paraqitur në Fig. 2.23. Fig. 2.23 Kahu i rrymës përputhet me shigjetën e diodës së silicit por jo edhe me atë të germaniumit, prandaj njëra diodë do të përçojë (ajo e silicit) ndërsa tjetra jo (ajo e germaniumit). Prandaj kemi lidhje të shkurtë në diodën e silicit dhe qark të hapur në diodën e germaniumit. ryma në qark do të jetë I = 0, siç është paraqitur në Fig. 2.24.
48 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA Fig. 2.24 Pra rryma dhe tensionet e kërkuara do të jenë I = I = 0 V o = I = 0 V V 2 = E V 1 V = E = 12V V 1 = 0 Sepse dioda e silicit përcjellë rrymë prandaj rënia e tensionit në te është zero. Shembulli 2.7 Për qarkun e paraqitur në Fig. 2.25 të caktohet rryma në qark dhe rëniet e tensioneve në rezistencat 1 dhe 2, dhe tensioni në dalje. Fig. 2.25
2. ioda gjysmëpërçuese 49 Zgjidhje Në bazë të polariteteve të burimeve E 1 dhe E 2, rryma ka kahun si në Fig. 2.26, ndërsa modeli ekuivalent i qarkut për diodën kyçur është paraqitur në Fig. 2.27. Fig. 2.26 Fig. 2.27 Nëse në konturën hyrëse të qarkut në Fig. 2.27 zbatojmë ligjin e dytë të Kirchoff-it për tensione, në kahun e rrotullimit të akrepave të orës do të kemi E 1 1 I - V - 2 I + E 2 = 0 Prej nga mund të llogaritet rryma në qark si I E1 E2 V 1 2 10 5 0.7 (4.6 2.2) 10 3 2.1mA ëniet e kërkuara të tensioneve në rezistencat 1 dhe 2 do të jenë gjegjësisht V 1 = I 1 = 9.66 V V 2 = I 2 = 4.62 V Tensioni në dalje caktohet me zbatimin e këtij ligji në konturën dalëse të qarkut, pra do të kemi
50 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA -E 2 + V 2 V o = 0 prej nga tensioni dalës është V o = V 2 E 2 = - 0.38 V Shenja minus tregon se tensioni në dalje ka polaritet kundërt me atë të paraqitur në Fig. 2.27. Shembulli 2.8 Për qarkun e paraqitur në Fig. 2.28 të caktohet tensioni dalës, rryma I dhe rryma nëpër diodën e dytë I 2. Fig. 2.28 Zgjidhje Për tensionin e zbatuar E, burimi bënë presion për vendosjen e rrymës në secilën diodë me kah të njëjtë, siç është paraqitur në Fig. 2.29. Fig. 2.29 Pasi që kahet e rrymave përputhen me shigjetat e simboleve në të dy diodat, dhe E > 0.7 V, të dy diodat janë të kyçura. Pasi që tensioni në skaje të elementeve paralele është gjithmonë i barabartë, do të kemi rymat gjegjëse do të jenë V o = V 1 = V 2 = 0.7 V
2. ioda gjysmëpërçuese 51 dhe E I I V o 10 0.7 0.3310 I 28.18 2 2 3 1 I 2 28.18 ma 14.09mA Shembulli 2.9 Në Fig. 2.30 është paraqitur qarku logjik OSE (angl. O ). Të caktohet tensioni në dalje të qarkut dhe rryma I. Fig. 2.30 Zgjidhje Në hyrjet e qarkut (1 dhe 2) është zbatuar vetëm një potencial E = 10 V, ndërsa terminali 2 me 0 V është në potencialin e tokës, siç është paraqitur në Fig. 2.31. ioda 1 është e kyçur pasi që në te është zbatuar tensioni prej 10 V, ndërsa dioda 2 me 0 V të zbatuar sigurisht nuk përçon. uke i përvetësuar këto gjendje, qarku do të duket si në Fig. 2.32. + - 1 E = 10 V 1 2 V o + - Fig. 2.31
52 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA Hapi i ardhshëm është verifikimi i gjendjeve të përvetësuara të diodave. Së pari duhet të caktohet tensioni dalës V o, pasi që në te janë të lidhura katodat e diodave. Me zbatimin e ligjit të Kirchoff-it për konturën e paraqitur në Fig. 2.32, do të fitojmë V o = E 1 - V 1 = 10-0.7 = 9.3 V Fig. 2.32 Me katodën në potencialin + 9.3 V, dioda 2 sigurisht nuk përçon. Kahja e rrymës konfirmon supozimin tonë se dioda 1 përçon. Tensioni në dalje është pra V o = 9.3 V Ndërsa rryma I E V 1 10 0.7 9.3 ma 3 110 Shembulli 2.10 Në Fig. 2.33 është paraqitur qarku logjik EHE (angl. AN ). Të caktohet niveli i tensionit në dalje V o dhe rryma I. Fig. 2.33
2. ioda gjysmëpërçuese 53 Zgjidhje Me potencialin pozitiv prej 10 V në anën e katodës (E 1 ) dioda 1 nuk ka gjasa të përçoj. ioda 2 mund të përçoj, pasi që në katodën e saj mbretëron potenciali i ulët (E 2 = 0 V). Prandaj qarku ekuivalent duket si në Fig. 2.34. Fig. 2.34 Tensioni në dalje, i cili është njëkohësisht edhe tensioni që mbretëron në skajet e diodës 2, do të jetë V o = V 2 = 0.7V Ndërsa rryma I do të jetë I E V 2 10 0.7 9.3mA 3 110 Shembulli 2.11 Në Fig. 2.35 gjeni rrymën I 0 në degën me rezistor 2Ω. Fig. 2.35 Zgjidhje Qarku i mësipërm mund të ekuivalentohet si më poshtë :
54 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA Ku janë: Fig. 2.35 6 6 6 6 2 4 4 12 2 3, E 3V, E 4V 1 12 1 12 2 6 3 2 6 Pasi polet pozitive te baterive janë i lidhur në katodë atëherë ioda - nuk përçon, prandaj shihet që dioda nuk ka kurrfarë ndikimi në qark. ryma në qark është : I E 1 E 2 1 2, ndërsa tensioni ryma I 0 nëpër degën me rezistor 2Ω është U I AB 0 2 U AB E 1 E E 2 2 2 1 2 I 0 E ( E E ) 1.33 ( 1) 4.33 1.85 A 2 2 2 2 1 2 2 4 1 2 3.6941 Shembulli 2.12 Percaktoni pozitën e pikës së punës së diodës në qarkun e Fig. 2.36.a nëse është e njohur karakteristika statike e diodës Fig. 2.36.b. Janë të njohura: 1 = 200, 2 = 600, E = 2V. Fig. 2.36.a Fig. 2.36.b Zgjidhje Pika e punës e një diode është tensioni në skaje të diodës si dhe vlera e rrymës nëpër të. Kur dihet karakteristika statike e diodës (karakteristika e prodhuesit), tensioni dhe rryma në diodë të qarkut të dhënë mund të gjendet me analizë grafike.
2. ioda gjysmëpërçuese 55 Skema ekuivalente do të jetë si në Fig. 2.37 Fig. 2.37 E T E E 1 1 1 2 1 2 1 2 1.5 V T 1 2 150 1 2 Nga Ligji i ytë i Kirkofit për konturën në qarkun e thjeshtë me E T, T dhe mund të shkruajmë: E I V 0 V E I T T T T Ekuacioni i fundit shpreh vartësinë e tensionit në diodë nga rryma në të, dhe kjo vartësi lineare quhet vijë e ngarkesës (drejtëz e punës). Së fundi paraqesim këtë drejtëz në karakteristikën statike të diodës (lakore të cilen e jep prodhuesi). Prerja e kësaj drejtëze me karakteristikën statike paraqet pikën e punës (0.65, 5.2) në Fig. 2.38. Fig. 2.38
56 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA Shembulli 2.13 Llogaritni rrymën I në qarkun e Fig. 2.39 nëse janë përdorur dy dioda të germaniumit, me të njëjtat karakteristika dhe nëse janë të njohura I s = 1nA, T = 300 0 K, = 1 k dhe E = 10V. Të caktohet V 1 dhe V 2. Fig. 2.39 Zgjidhje ioda 2 është e polarizuar revers dhe në të mund të rrjedh vetëm rryma I s = I =1 na Prandaj, rryma në qark është: I = I 1 = I s =1 [na] Nga Ligji i ytë i Kirkof-it mund të shkruajmë: E I V V 1 2 0 Kur dioda është polarizuar revers (paraqet thuajse qark të hapur), tensioni në skajet e saj është sa vlera absolute e tensionit të furnizimit). Nga shprehja për rrymën e diodës në vartësi nga tensioni U 1 UT I I ( e 1) s Mund të nxjerrim që Prandaj, U 1 18[ mv] U 1 UT I I ( e 1) s s U 1 U ln 2 T Së fundi nga ligji i ytë i Kirkofit për qarkun e mësipërm del që: V2 9.82[ V]
2. ioda gjysmëpërçuese 57 Shembulli 2.14 ioda e Ge me lidhje sipërfaqësore në temperaturën prej 125 0 C, ka rrymën reverse të ngopjes I s = 30A. Llogaritni rrymën nëpër diodë dhe rezistencën e saj dinamike kur dioda polarizohet drejtë me tension 0.2 V dhe kur polarizohet revers me të njëjtin tension. Zgjidhje t =125 [ 0 C] I s = 30 [A] U d = 0.2 [V] Fig. 2.40 UT ryma nëpër diodë gjendet nga relacioni i njohur: I I ( e 1) Tensioni termik në ketë temperaturë do të ketë vlerën si më poshtë: -23 J 0 1.38 10 (273 125 ) K kt 0 V T K = 0.0343 V 34.3 mv -19 e 1.6 10 C s U d Prej nga I 10 ma r UT 34.34 mv 3.434 I I 10 ma30 A s Shembulli 2.15 Për qarkun elektrik me një diodë të treguar në Fig 2.41 janë të njohura elementet e qarkut. a) Sa janë V a, V b, V, I nëse V 1 =15[V], V 2 =10[V] b) Sa janë V a, V b, V, I nëse V 1 =10[V], V 2 =10[V] Fig. 2.41
58 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA Zgjidhje a) Kur V 1 = 15[V], V 2 = 10[V] dioda është e shkyçur (OFF) V a = 7.5[V], V b = 5[V], prej nga V = -2.5 [V] dhe I =0 b) Kur V 1 = 10 V, V 2 = 15 V dioda është ON V Vb Vb Va Va 10 10 10 10 15 10 1 1 V 10 10 10 10 V b 6. 55V I V 2 V 1 15 6.55 10 0.6 V b V b 6.55 10 I V V 0. 6 a 1 10 b 1 10 0.19 ma 0.6 1 10 1 10 PASQYË PYETJESH 2.1. Çka është bashkimi pn? 2.2. Shpjegoni procesin e difuzionit që ndodh në bashkimin pn. Sa zgjatë ky difuzion? 2.3. Çka është barriera potenciale dhe si krijohet ajo? 2.4. Pse regjioni i barrierës potenciale quhet regjion i varfëruar nga bartësit e lirë? Sa është vlera tipike e tensionit të barrierës potenciale për një diodë silici e sa për një diodë nga germaniumi? 2.5. Nëse bashkimi pn gjendet në dy temperatura të ndryshme (T 2 > T 1 ), atëherë a do të zvogëlohet tensioni i barrierës apo do të rritet në temperaturën T 2? 2.6. Përshkruani polarizimin e drejtë dhe revers të diodës. 2.7. Krahasoni regjionin e varfëruar (regjionin e barrierës) te polarizimi i drejtë dhe te polarizimi revers i diodës. 2.8. Në cilat kondita të polarizimit krijohet rrymë e bartësve shumicë në diodë? 2.9. ryma e diodës së polarizuar drejtë ndryshon në vartësi nga tensioni i polarizimit. Tregoni a është kjo: rritje lineare, rënje lineare, rritje eksponenciale, apo rënje eksponenciale kur tensioni polarizues rritet?
2. ioda gjysmëpërçuese 59 2.10. Pse dioda gjysmëpërçuese quhet komponentë elektronike jolineare? 2.11. A ndikon temperatura në karakteristikën statike të diodës? Nëse Po paraqitni karakteristikën statike të diodës me rastin e polarizimit të drejtë në dy temperature të ndryshme. Nëse Jo jepni arsyetimin fizik. 2.12. Si prodhohet rryma reverse në një diodë? 2.13. Shkruani relacionin volt-amper për diodë dhe shpjegoni kuptimin e secilit anëtarë. 2.14. Paraqitni karakteristikën volt-amper të diodës ideale. Shpjegoni pse dioda ideale mund të konsiderohet si ndërprerës. 2.15. Cili është kuptimi i vijës së ngarkesës dhe i pikës së punës së diodës? 2.16. Nëse bashkimi pn polarizohet revers, nëpër diodë do të rrjedhë një rrymë e vogël që quhet rrymë reverse e ngopjes. Të shpjegohet kuptimi fizik i kësaj rryme reverse? 2.17. Paraqitni modelin e diodës reale me pjesë lineare. 2.18. Shpjegoni efektin ortek në diodë. 2.19. Pse ndodh shpimi revers i një diode? 2.20. A varet regjioni ortekut (V z ) nga niveli i dopingut në materialet e tipit p dhe n? 2.21. Në regjionin e shpimit të diodës ndodh një proces i ndërrimit të vlerës së rrymës nëpër të. A është kjo rrymë zero, e pakufishme apo e kufizuar në vlerën rrymës reverse të ngopjes? 2.22. iodat mund të përdoren edhe për ndërtimin e qarqeve logjike. Të disejnohet qarku me dioda i cili kryen funksionin y ( AB) ( C) 2.23. Çka do të mat voltmetri nëse është vendosur në terminalet e diodës së pa polarizuar? 2.24. Çka do të mat voltmetri nëse është vendosur në terminalet e diodës së polarizuar drejt? 2.24. Çka do të mat voltmetri nëse është vendosur në terminalet e diodës së polarizuar revers?
60 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA POBLEME 2.1. Ne qarkun me tri dioda në Fig. 2.39 është kyçur tensioni U =68 mv. Llogaritni tensionet U 1 dhe U 2 nëse për rrymat reverse të ngopjes vlen: Is 1 = Is 2 = 10 pa dhe Is 3 =20 pa, ndërsa U T = 25Mv. Fig. 2.42 2.2. Në qarkun e treguar në Fig. 2.43.a supozoni që karakteristika i = f(v ) e diodës është si në Fig. 2.43.b. Sa është rryma në diodë i e sa tensioni në skajet e diodës? Fig. 2.43a
2. ioda gjysmëpërçuese 61 Fig. 2.43b 2.3. Në qarkun me dy dioda 1 dhe 2 janë me karakteristika të ndryshme. Janë të njohura I s1, I s2 dhe I in. Të gjenden rrymat I 1 =f(i in, I s1, I s2 ), I 2 = f(i in, I s1, I s2 ). Fig. 2.44 2.4. Për qarkun e treguar në Fig. 2.45 diodat të konsiderohen ideale. Gjeni intensitetin e rrymës I të shënuar në qark dhe tensionin V.
62 Myzafere Limani, Qamil Kabashi ELEKTONIKA Fig. 2.45 2.5. uke përdorë teoremën e Tevenen-it të gjendet vlera e rrymës dhe tensionit ne qarqet e mëposhtme Fig. 2.46. Fig. 2.46 2.6. Të nxjerrët shprehja Booleane për V 0 në vartësi nga anëtarët hyrës në Fig. 2.47 (nëse diodat konsiderohen ideale).
2. ioda gjysmëpërçuese 63 Fig. 2.47 Zgjidhje: Shprehja Boleane për V 0 është: V0 ( V1V2) ( V3 V4)