Lecția 2.3 — Diode

În interiorul fiecărei surse de alimentare de consolă, curentul alternativ din priză trebuie transformat în curent continuu. Prima componentă care face această conversie posibilă este dioda — un dispozitiv semiconductor care permite curentului să treacă într-o singură direcție. Patru diode aranjate într-o punte de redresare transformă unda sinusoidală AC într-un flux unidirecțional — primul pas critic spre alimentarea stabilă a procesorului.

Această lecție acoperă componenta care face posibilă conversia AC → DC: joncțiunea PN (mecanismul fizic din spatele diodei), redresarea (conversia AC în flux unidirecțional) și protecția de polaritate — circuitele care previn distrugerea componentelor când tensiunea este aplicată invers.

Scopul nu este memorarea caracteristicii I-V a diodei, ci înțelegerea de ce PSU-ul folosește diode pentru redresare, de ce există diode de protecție pe placa de bază și cum identifici o diodă defectă cu multimetrul în modul diodă.

2.3.1 — DEFINIȚIE ȘI FUNCȚIE PRINCIPALĂ

• Dioda = component electronic cu două terminale care conduce curentul electric predominant într-o singură direcție (conductanță asimetrică)
• Rezistență joasă (ideal zero) într-o direcție, rezistență mare (ideal infinită) în cealaltă
• Analogia hidraulică: supapă de sens unic (check valve)
• Funcția principală: permite curentul în direcția forward, îl blochează în direcția reverse
• Poate converti curent alternativ (AC) în curent continuu (DC) – proces numit redresare (rectification)

2.3.2 — JONCȚIUNE PN – DIODA SEMICONDUCTOARE

• Dioda semiconductoare = bucată cristalină de material semiconductor (uzual siliciu) cu joncțiune p-n conectată la două terminale electrice
• Pe o parte: semiconductor de tip n (conține purtători de sarcină negativi – electroni liberi)
• Pe cealaltă parte: semiconductor de tip p (conține purtători de sarcină pozitivi – goluri/holes)
• Când n și p sunt alăturate, electronii din zona n difuzează în zona p și se recombină cu golurile
• Se formează zona de golire (depletion region) – o regiune fără purtători de sarcină mobili, care acționează ca izolator
• Se creează un potențial electric intern (built-in potential) care oprește difuzia ulterioară
• Anod = terminalul conectat la partea p; Catod = terminalul conectat la partea n

2.3.3 — POLARIZARE DIRECTĂ (FORWARD BIAS)

• Când se aplică tensiune pozitivă pe anod (partea p) față de catod (partea n)
• Zona de golire se micșorează → permite trecerea electronilor de la n la p
• Curentul crește exponențial cu tensiunea (ecuația Shockley)
• Tensiunea de prag (forward threshold voltage/turn-on voltage):

• Siliciu Schottky: 0.15 V – 0.45 V

• Germaniu p-n: 0.25 V – 0.3 V

• Siliciu p-n: 0.6 V – 0.7 V

• LED infraroșu (GaAs): ~1.2 V

• LED-uri: 1.6 V (roșu) – 4 V (violet)

• La curenți mari, căderea de tensiune crește (1 V – 1.5 V la curent nominal pentru diode de putere din siliciu)

2.3.4 — POLARIZARE INVERSĂ (REVERSE BIAS)

• Când se aplică tensiune negativă pe anod față de catod
• Zona de golire se lărgește → curent foarte mic (micro-amperi)
• La tensiune inversă suficient de mare → breakdown (avalanșă sau efect Zener)
• Avalanche breakdown: câmpul electric provoacă ionizare în cascadă
• Zener breakdown: tunelare cuantică prin joncțiunea puternic dopată, la tensiuni < 5 V
• Breakdown poate fi distructiv (diode normale) sau controlat (diode Zener, diode avalanșă)

2.3.5 — REDRESARE (RECTIFICATION)

• Convertirea AC → DC folosind conductanța unidirecțională a diodei
• Redresare half-wave: folosește o singură diodă
• Redresare full-wave: folosește 4 diode în configurație bridge rectifier
• Diodele redresoare sunt folosite în surse de alimentare, alternatoare auto, multiplicatoare de tensiune
• Seria 1N400x: diode redresoare siliciu 1A (foarte populare)
• Seria 1N580x: diode redresoare siliciu 3A

2.3.6 — PROTECȚIE POLARITATE (REVERSE VOLTAGE PROTECTION)

• O diodă în serie cu alimentarea protejează circuitul când polaritatea este inversată
• Previne daune la componente electronice sensibile
• Cunoscut și ca: reverse polarity protection, reverse battery protection
• Protecție supratensiune (over-voltage protection):

• Diodele deviază tensiunile ridicate de la circuitele sensibile

• Flyback diode: protejează la deenergizarea bobinelor (motoare, relee)

• TVS (Transient Voltage Suppression): diode avalanșă cu secțiune mare, proiectate pentru protecție

• Multe circuite integrate au diode de protecție integrate pe pinii de conectare

2.3.7 — TIPURI DE DIODE SEMICONDUCTOARE

• Dioda p-n standard (siliciu): cea mai comună, 0.6-0.7 V forward voltage
• Dioda Schottky: joncțiune metal-semiconductor, forward voltage mai mic (0.15-0.45 V), comutare rapidă, fără efect de stocare de purtători minoritari; folosită în SMPS, mixere RF, detectoare
• Dioda Zener: tensiune de breakdown precisă (<5 V prin efect Zener), folosită ca referință de tensiune
• Dioda avalanșă: breakdown controlat >6.2 V, protecție supratensiune
• LED (Light-Emitting Diode): emite fotoni la recombinare, culori de la infraroșu la ultraviolet
• Fotodioda: detectează lumina, folosită în celule solare, comunicații optice
• Dioda laser: LED într-o cavitate rezonantă, pentru stocare optică și comunicații rapide
• Dioda tunel (Esaki): rezistență diferențială negativă, tunelare cuantică, folosită în nave spațiale
• Varicap/varactor: capacitate variabilă controlată de tensiune, pentru circuite PLL
• PIN diode: strat intrinsec între p și n, switchuri RF, detectoare de radiație
• TVS diode: protecție tranzienți de tensiune

2.3.8 — APLICAȚII ÎN CIRCUITE

• Redresoare în surse de alimentare
• Demodulare radio (AM)
• Porți logice (diode-resistor logic: AND și OR)
• Director de curent (current steering): alimentare neîntreruptibilă, protecție baterie
• Limitare formă de undă (clipper): limitează excursia semnalului
• Clamper: deplasează semnalul AC vertical
• Senzor de temperatură: căderea forward variază cu ~-2 mV/°C
• Detectoare de radiații ionizante

2.3.9 — DEFINIȚIE JONCȚIUNE P-N

• Combinație de două tipuri de materiale semiconductoare (p-type și n-type) într-un singur cristal
• Partea "n" (negativă): conține electroni liberi
• Partea "p" (pozitivă): conține goluri/holes libere
• Conectarea celor două materiale creează o zonă de golire (depletion region) la limită
• Electronii liberi umplu golurile disponibile → permite curentul doar într-o direcție
• Inventată de Russell Ohl (Bell Labs) în 1939
• Teorie modernă: William Shockley, "Electrons and Holes in Semiconductors" (1950)

2.3.10 — ECHILIBRU (ZERO BIAS)

• Se formează potențialul intern (built-in potential) Vbi
• Electroni din zona n difuzează în zona p (din cauza migrării termice aleatorii)
• Se recombină cu golurile → ambii purtători dispar
• Atomii dopanți rămân ficși: donori (+) în n, acceptori (-) în p
• Rezultat: zonă golită de purtători mobili = depletion layer
• Câmpul electric creat contracarează difuzia ulterioară → echilibru

2.3.11 — FORWARD BIAS (POLARIZARE DIRECTĂ)

• Terminalul pozitiv conectat la p, negativ la n
• Zona de golire se reduce → bariera energetică scade
• Electronii traversează din n în p, golurile din p în n
• Curentul crește exponențial conform ecuației Shockley
• Lungime medie de difuzie: ordinul micrometrilor
• Curentul total constant în spațiu (legea lui Kirchhoff)

2.3.12 — REVERSE BIAS (POLARIZARE INVERSĂ)

• Terminalul negativ la p, pozitiv la n
• Golurile sunt trase de joncțiune → zona de golire se lărgește
• Rezistență foarte mare → curent minim
• La tensiune inversă critică: breakdown

• Zener breakdown: tunelare cuantică (diode puternic dopate)

• Avalanche breakdown: ionizare în cascadă

• Ambele procese sunt reversibile dacă curentul nu depășește limita termică

• Aplicație Zener: stabilizare la tensiune precisă (ex. 5.6 V)
• Aplicație varactor: capacitate variabilă prin controlul lățimii zonei de golire

2.3.13 — DIMENSIUNEA ZONEI DE GOLIRE

• Formula: d = sqrt(2ε/q × (CA+CD)/(CA×CD) × ΔV)
• Depinde de: permitivitate (ε), concentrație dopanți (CA, CD), tensiune aplicată (ΔV)
• Potențial de echilibru: ΔV₀ = kT/q × ln(CA×CD/ni²)
• Zona de golire se extinde mai mult pe partea mai slab dopată

APLICAȚII ÎN CIRCUITE

• Porți logice (diode-resistor logic: AND și OR)

TIPURI DE DIODE SEMICONDUCTOARE

• Dioda Schottky: joncțiune metal-semiconductor, forward voltage mai mic (0.15-0.45 V), comutare rapidă, fără efect de stocare de purtători minoritari; folosită în SMPS, mixere RF, detectoare

PROTECȚIE POLARITATE (REVERSE VOLTAGE PROTECTION)

• O diodă în serie cu alimentarea protejează circuitul când polaritatea este inversată

• DEFINIȚIE ȘI FUNCȚIE PRINCIPALĂ: Dioda = component electronic cu două terminale care conduce curentul electric predominant într-o singură direcție (conductanță asimetrică)
• JONCȚIUNE PN – DIODA SEMICONDUCTOARE: Dioda semiconductoare = bucată cristalină de material semiconductor (uzual siliciu) cu joncțiune p-n conectată la două terminale electrice
• POLARIZARE DIRECTĂ (FORWARD BIAS): Când se aplică tensiune pozitivă pe anod (partea p) față de catod (partea n)
• POLARIZARE INVERSĂ (REVERSE BIAS): Când se aplică tensiune negativă pe anod față de catod
• REDRESARE (RECTIFICATION): Convertirea AC → DC folosind conductanța unidirecțională a diodei
• PROTECȚIE POLARITATE (REVERSE VOLTAGE PROTECTION): O diodă în serie cu alimentarea protejează circuitul când polaritatea este inversată
• TIPURI DE DIODE SEMICONDUCTOARE: Dioda p-n standard (siliciu): cea mai comună, 0.6-0.7 V forward voltage
• APLICAȚII ÎN CIRCUITE: Redresoare în surse de alimentare
• DEFINIȚIE JONCȚIUNE P-N: Combinație de două tipuri de materiale semiconductoare (p-type și n-type) într-un singur cristal
• ECHILIBRU (ZERO BIAS): Se formează potențialul intern (built-in potential) Vbi
• FORWARD BIAS (POLARIZARE DIRECTĂ): Terminalul pozitiv conectat la p, negativ la n
• REVERSE BIAS (POLARIZARE INVERSĂ): Terminalul negativ la p, pozitiv la n
• DIMENSIUNEA ZONEI DE GOLIRE: Formula: d = sqrt(2ε/q × (CA+CD)/(CA×CD) × ΔV)

Întrebarea 1

Care afirmație este corectă despre: Analogia hidraulică?

• a) semiconductor de tip p (conține purtători de sarcină pozitivi – goluri/holes)
• b) supapă de sens unic (check valve)
• c) semiconductor de tip n (conține purtători de sarcină negativi – electroni liberi)
• d) permite curentul în direcția forward, îl blochează în direcția reverse

Întrebarea 2

Care afirmație este corectă despre: Pe o parte?

• a) supapă de sens unic (check valve)
• b) semiconductor de tip n (conține purtători de sarcină negativi – electroni liberi)
• c) permite curentul în direcția forward, îl blochează în direcția reverse
• d) semiconductor de tip p (conține purtători de sarcină pozitivi – goluri/holes)

Întrebarea 3

Care afirmație este corectă despre: Avalanche breakdown?

• a) supapă de sens unic (check valve)
• b) semiconductor de tip n (conține purtători de sarcină negativi – electroni liberi)
• c) permite curentul în direcția forward, îl blochează în direcția reverse
• d) câmpul electric provoacă ionizare în cascadă

Întrebarea 4

Care afirmație este corectă despre: Redresare half-wave?

• a) permite curentul în direcția forward, îl blochează în direcția reverse
• b) folosește o singură diodă
• c) semiconductor de tip n (conține purtători de sarcină negativi – electroni liberi)
• d) supapă de sens unic (check valve)

Întrebarea 5

Care afirmație este corectă despre: Cunoscut și ca?

• a) reverse polarity protection, reverse battery protection
• b) permite curentul în direcția forward, îl blochează în direcția reverse
• c) supapă de sens unic (check valve)
• d) semiconductor de tip n (conține purtători de sarcină negativi – electroni liberi)

🧠 Exercițiu: Diode

Scenariu: Analizezi un sistem hardware care utilizează conceptul de joncțiune PN. Pe baza cunoștințelor din această lecție, răspunde la următoarele întrebări:

• 1. Defineste pe scurt: joncțiune PN.
• 2. Ce rol are redresare în contextul hardware-ului?
• 3. Explică relația dintre joncțiune PN și protecție polaritate.