Lecture Electrical Engineering: Lecture 10 - Dr. Nasim Zafar

In this chapter, you will learn about: Ideal & practical diodes; terminal characteristics of junction diodes; DC load line and quiescent conditions; piecewise linear model; small signal analysis of diodes; dynamic resistance, AC resistance; capacitance and switching response.

COMSATS Institute of Information Technology Virtual campus Islamabad Dr. Nasim Zafar Electronics 1 EEE 231 – BS Electrical Engineering Fall Semester – 2012 The Diode Circuits­II Lecture No:  10   Contents: References: Ø Microelectronic Circuits:     Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith Ø Electronic Devices and Circuit Theory:   Robert Boylestad & Louis Nashelsky ( Prentice Hall ) Ø   Introductory Electronic Devices and Circuits:         Robert T. Paynter.  Ø Electronic Devices : References (Figures): Chapter 2 Diodes: Figures are redrawn (with some modifications) from   Introductory Electronic Devices and Circuits By Robert T. Paynter The Diode Models 1.  The Ideal Diode Model The Diode:       P­N Junction Diode Schematic Symbol: Anode Cathode p n Diode Circuits: anode Reversed bias + ­ + ­ Forward bias cathode The left hand diagram shows the reverse biased junction.  No current flows flows.    The other diagram shows forward biased junction A current flows Forward­Biased Diode Circuit: R R I F > 0A I F > 0A IF V IF V +V -V R R IF IF Reverse­Biased Diode Circuit: R R V 0A 0A IT IT V +V R -V R Effect of VF: I VS 5V 4.3 V VD1 = 0.7V R1 1k VR1 = VS − VD1 = 5V − 0.7V = 4.3V VR1 4.3V I= = = 4.3mA R1 1kΩ D1 Value Ideal Practical VF 0 V 0.7 V VR1 5 V 4.3 V I 5 mA 4.3 mA 10 Small­Signal Analysis of Diodes: Ø Small­signal analysis is performed at a DC bias point by  perturbing the voltage by a small amount and observing the  resulting linear current perturbation   Ø If two points on the I­V curve are very close, the curve in­ between these points is well approximated by a straight line: ID VD          e x dI D dVD VD VD I s VD1 / VT e VT x x2 2! x3 3! I D1 VT Small­Signal Analysis of Diodes: Ø Since there is a linear relationship between the small­signal  current and small­signal voltage of a diode, the diode can be  viewed as a linear resistor when only small changes in voltage  are of interest Small­Signal Resistance (or Dynamic Resistance)  rd VT   ID Small­Signal Analysis of Diodes: ID V I D1 VT Small­signal analysis is performed around a bias point by  perturbing the voltage by a small amount and observing the  resulting linear current perturbation.   28 Small­Signal Analysis of Diodes: ID VD dI D |VD dVD Is I D1 exp VT VT I D1 VT Ø If  two  points  on  the  IV  curve  of  a  diode  are  close  enough,  the  trajectory  connecting  the  first  to  the  second  point  is  like  a  line,  with  the  slope  being  the  proportionality  factor  between  change  in  voltage  and change in current.    29 VD1 Small Sinusoidal Analysis: v If a sinusoidal voltage with small amplitude is applied, the  resulting current is also a small sinusoid around a  value V (t ) V0 V p cos t I D (t ) I0 I p cos t I s exp 30 V0 VT VT V p cos t I0 Resistance Levels: Ø Ø Ø The  operating point of a  diode moves  from one  region  to  another the resistance of the diode will also change due to  the nonlinear shape of the characteristic curve  The  type  of  applied  voltage  or  signal  will  define  the  resistance level of interest  Three different types of applied voltage  – DC or Static Resistance  – AC or Dynamic Resistance  – Average AC Resistance DC or Static Resistance  • • • The application of a dc voltage to a  circuit containing a semiconductor  diode will result in an operating point  on the characteristic curve that will  not change with time  The resistance of the diode at the  operating point can be found simply  by finding the corresponding levels of  VD and ID  The lower current through a diode the  higher the dc resistance level AC or Dynamic Resistance  • The varying input will  move the instantaneous  operating point up and  down a region of the  characteristics and thus  defines a specific change  in current and voltage as  shown in the Fig.  Temperature Effects: J Js eVa J s exp( 1) kT eD p pno eDn n po ( ) Lp Ln steady state : pno ni2 , n po Nd ni2 Na Js : strong function of temperature Js i n exp( Eg kT ) Temperature Effects on Diode Operation: I F(mA) 100 C 10 25 C V2 V1 I2 I1 VR T = 25 C T = 35 C 0.2 IR = A IR = 10 A 0.4 0.6 0.8 VF(V) 1.0 10 15 T = 45 C IR = 20 A 20 IR 35 Typical Diodes Diode Maximum Ratings Rating Discussion Peak repetitve reverse voltage, VRRM Maximum allowable reverse voltage Nonrepetitive peak reverse voltage, VRSM Maximum allowable value of a single event reverse voltage (VRSM > VRRM) RMS reverse voltage, VR(rms) VR(rms) = 0.707 VRRM Average rectified forward current, I0 Maximum average diode current Nonrepetitive peak surge current, IFSM Maximum allowable value of forward current surge (30A for 1N400X) Operating and storage junction temperature, TJ or Tstg Temperature that diode can withstand 37 Diode Capacitance: Insulator Conductor Conductor n p Insulator VR 38 Application of PN Junction:  BJT (Bipolar Junction Transistor) P HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) Switching diode N  Junction  diode J U N Tunnel  diode PN Junction  diode  Photo­diode C T N Breakdown diode Varactor diode Solar cell Photodetector Light Emitting diode & Laser Diode  JFET I O Rectifiers FET (Field Effect Transistor)  MOSFET ­ memory  MESFET ­ HEMT Semiconductor Devices Semiconductor Devices  Summary: Ø Three diode models Ø Diode specifications Ø Diode Applications 40 ... ­X' X 100 where X = the measured value          X’ = the calculated value 14 Example­4 I R1 1.5 k D1 R2 1.8 k VS 10 V I ideal = VS 10V = = 3.03mA R1 + R2 1.5kΩ + 1.8kΩ I prac = VS − VD1 − VD 10V... Forward Power Dissipation PD(max): I VS 10 V D1 RL 100 Choose a diode with forward power  dissipation PD(max) at least 20%  greater than actual power dissipation VS − VD1 10V − 0.7V I= = = 93mA RL 100 Ω PD = VD1 I =... Practical VF 0 V 0.7 V VR1 5 V 4.3 V I 5 mA 4.3 mA 10 Example­1 V I VS 6V R1 10 k VR1 = VS − VD1 = 6V − 0.7V D1 = 5.3V VR1 5.3V I= = = 530μA R1 10kΩ 11 Example­2 I VS 5V R1 1.2 k D1 R2 2.2 k VS