L atomo
L’atomo
In un atomo il numero di protoni è uguale al numero di elettroni per cui un punto di vista
numero di elettroni, per cui un punto di vista elettrico l’atomo è allo stato neutro perché la carica negativa degli elettroni è uguale e
carica negativa degli elettroni è uguale e opposta a quella positiva dei protoni.
IL DIODO a SEMICONDUTTORE
3A – Elettrotecnica– Anno 2013/2014 “IL DIODO"
Conduttori
Isolanti
Nei conduttori gli elettroni sono abbastanza p
g
liberi di muoversi, perché la forza che lega alcuni elettroni al nucleo dell’atomo sono deboli per cui se all’atomo
deboli per cui se all
atomo viene fornita viene fornita
sufficiente energia questi elettroni cominciano a muoversi lasciando l’atomo
a muoversi lasciando l’atomo.
Negli isolanti gli elettroni non sono molto liberi p
di muoversi per cui anche fornendo una energia elevata, non si riesce a spostarli da una parte all’altra
una parte all
altra del materiale.
del materiale
2
Esempi: plastica, gomma, legno, vetro, acqua distillata, ceramica,…
distillata, ceramica,…
Esempi: I metalli, acqua non distillata
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Semiconduttori
Caratteristiche dei semiconduttori
Caratteristiche dei semiconduttori
Sono materiali particolari che in certe condizioni p
si comportano come i conduttori, in altre come gli isolanti.
Esempi: Silicio, Germanio (elementi base dei circuiti elettronci)
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Drogaggio dei semiconduttori
Drogaggio dei semiconduttori
Struttura e comportamento dei semiconduttori
• Ogni atomo mette in comune un elettrone con l'atomo più vicino per formare un legame stabile.
p
p
g
• Però già alla temperatura di 25°C qualche elettrone può abbandonare il legame ed essere disponibile per una corrente di conduzione.
• Basta applicare una piccola tensione al semiconduttore per rilevare una piccola corrente, comunque trascurabile.
q
• La resistenza di un semiconduttore diminuisce all'aumentare della temperatura, comportamento inverso a quello dei materiali conduttori.
inverso a quello dei materiali conduttori.
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Drogaggio di tipo N
Drogaggio di tipo N
Nell'uso dei semiconduttori si pongono 2 p
problemi:
• Migliorare la conduzione;
• Rendere le caratteristiche elettriche meno R d
l
i i h l i h
dipendenti dalla temperatura.
Questi problemi vengono risolti introducendo atomi diversi nella struttura del
atomi diversi nella struttura del semiconduttore (drogaggio)
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II semiconduttori sono materiali costituiti da atomi con 4 i d tt i
t i li
tit iti d t i
4
elettroni nell'orbita esterna
Al semiconduttore, ad es. silicio, si gg g
p
aggiungono impurità costituite da atomi pentavalenti, cioè con 5 elettroni nello strato esterno ( es
elettroni nello strato esterno ( es. arsenico)
Si trova così un elettrone in più che ì
l
ù h
è libero di muoversi e in grado di dar vita ad una corrente elettrica.
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Drogaggio di tipo P
Drogaggio di tipo P
LA GIUNZIONE P N
LA GIUNZIONE P‐N
Unendo un semiconduttore drogato N con un semiconduttore drogato P si ottiene una giunzione PN
Comportamento della giunzione PN
p
g
• All'atto dell'unione si ha un passaggio di elettroni dal semiconduttore N al semiconduttore P.
• Dopo pochi istanti, in corrispondenza della giunzione, nella zona P si forma una regione con prevalenza di cariche negative, cioè gli p
g
,
g
elettroni provenienti dalla zona N.
• Nel contempo nella zona N si forma una regione con prevalenza di cariche positive
regione con prevalenza di cariche positive dovuta all'assenza degli elettroni diffusi nella zona P della giunzione.
Al semiconduttore si aggiungono impurità costituite Al
i d tt
i
i
i
ità
tit it
da atomi con 3 elettroni nello strato esterno (es. boro). Il boro non può combinarsi in modo perfetto con il silicio perché ha un elettrone in
perfetto con il silicio, perché ha un elettrone in meno nello strato esterno.
In questo caso si determina una mancanza di elettroni detta lacuna in grado di catturare
elettroni, detta lacuna, in grado di catturare elettroni e per questo si assimila ad una carica positiva. Un elettrone catturato da una lacuna determina un'altra
determina un
altra lacuna perché lascia vuoto il lacuna perché lascia vuoto il
posto occupato in precedenza. E' come se la lacuna si spostasse in direzione opposta al movimento dell'elettrone.
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Caratteristiche della giunzione PN
Caratteristiche della giunzione PN
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Caratteristiche della giunzione PN
Caratteristiche della giunzione PN
In pratica un elettrone della zona N troverà nella zona P In
pratica un elettrone della zona N troverà nella zona P
uno strato di cariche negative che lo respingeranno.
p
La differenza di potenziale dello strato di sbarramento (Vd) è per il silicio di circa 0,7 Volt.
LLe suddette regioni, negativa (nella zona P) dd
i i
i ( ll
P)
e positiva (nella zona N), subito a ridosso della giunzione dei due semiconduttori determinano una zona di sbarramento (ZONA DI SVUOTAMENTO), con ampiezza d a cu
di alcuni micron, che impedisce agli altri c o , c e ped sce ag a t
elettroni di passare dalla zona N alla zona P (tale zona ha le proprietà di un isolante).
isolante)
Le due regioni così polarizzate, infatti, determinano una barriera di potenziale per gli elettroni (differenza di potenziale li l
i (diff
di
i l
Ud tra le due regioni di carica opposta).
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Polarizzazione inversa
Polarizzazione inversa
Polarizzazione inversa
Polarizzazione inversa
SSe ad una giunzione PN si applica un d
i i
PN i
li
generatore di tensione E con il p
polo positivo (anodo) collegato alla p
(
)
g
zona N e il polo negativo (catodo) alla zona P si ottiene una polarizzazione inversa
polarizzazione inversa.
La polarizzazione inversa produce migrazione di elettroni verso g
l'anodo nella zona N e verso la giunzione nella zona P, cioè si estende la zona di sbarramento e
estende la zona di sbarramento e risulta ancora più difficile per un elettrone poter passare da N a P.
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Poiché la regione di tipo P è connessa al P
i hé l
i
di ti P è
l
terminale negativo dell'alimentazione, le lacune nella regione di tipo P vengono spinte lontano dalla giunzione facendo
spinte lontano dalla giunzione, facendo crescere l'ampiezza della zona svuotata. Lo stesso succede nella zona di tipo N, dove gli elettroni vengono spinti lontano
dove gli elettroni vengono spinti lontano dalla giunzione a causa dell'azione del terminale positivo dell'alimentazione.
Questo aumenta la barriera di potenziale e
Questo aumenta la barriera di potenziale e per questa ragione non passerà corrente attraverso la giunzione (o ne passerà molto poca, detta corrente di p ,
saturazione inversa).
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Polarizzazione diretta
Polarizzazione diretta
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IL DIODO
IL DIODO
Con la polarizzazione diretta (polo positivo su P e negativo su N) su N) le lacune nella regione di tipo P
negativo su N) su N), le lacune nella regione di tipo P e gli elettroni nella regione di tipo N sono spinti verso la giunzione. Questo riduce l'ampiezza della zona svuotata. Il polo positivo applicato alla regione di tipo P respinge le lacune mentre il polo negativo applicato
P respinge le lacune, mentre il polo negativo applicato alla regione di tipo N respinge gli elettroni. Poiché elettroni e lacune sono spinti verso la giunzione, la distanza tra di loro decresce. Questo abbassa la barriera di potenziale
barriera di potenziale. Aumentando la tensione di polarizzazione, si arriva al punto in cui la zona svuotata diventa così "sottile" che i portatori di carica possono superare la barriera per effetto tunnel e la resistenza elettrica si riduce a un valore molto
barriera per effetto tunnel, e la resistenza elettrica si riduce a un valore molto basso. Gli elettroni che superano la barriera alla giunzione entrano nella regione di tipo P (passando da una lacuna all'altra). In tal caso quindi la zona di sbarramento si restringe Se la tensione del
In tal caso quindi la zona di sbarramento si restringe. Se la tensione del generatore E è maggiore di Vd quest'ultima viene praticamente azzerata e gli elettroni potranno circolare da N a P determinando una corrente di intensità tanto maggiore quanto più E è maggiore di Vd
tanto maggiore quanto più E è maggiore di Vd.
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3A – Elettrotecnica– Anno 2013/2014 “IL DIODO"
Il diodo è una giunzione PN che viene utilizzata come componente con due terminali anodo
due terminali, anodo (P) e catodo (N).
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Curva caratteristica corrente ‐ tensione (I ‐ V) del Diodo
LLa curva caratteristica, cioè la tt i ti
i èl
relazione corrente‐tensione
può essere rilevata sperimentalmente sia in condizione di polarizzazione diretta che inversa.
II diodi a giunzione p‐n reali hanno una caratteristica tensione corrente analoga a diodi a giunzione p n reali hanno una caratteristica tensione corrente analoga a
quella ideale, con alcune differenze: • quando polarizzati inversamente, invece di impedire completamente il passaggio di corrente vengono attraversati dalla Io, la corrente di saturazione inversa, il cui valore è legato all'area del dispositivo ed alla concentrazioni del drogante. • Con l'aumentare del modulo della tensione inversa fino ad un certo valore (detto tensione di Zener Vz, come si può notare nel 3° e 4° quadrante della caratteristica del diodo reale a lato) che può andare da alcuni Volt ad alcune decine di Volt la
del diodo reale a lato), che può andare da alcuni Volt ad alcune decine di Volt, la corrente aumenta in modulo molto rapidamente: tale regime di funzionamento, detto tensione di rottura o di breakdown per il modo di generazione degli elettroni di conduzione all'interno del diodo, non è dannoso per il componente finché la potenza dissipata rimane nei limiti tollerati: i diodi zener per esempio sono potenza dissipata rimane nei limiti tollerati: i diodi zener
per esempio sono
progettati espressamente per funzionare in tensione di rottura o tensione di Zener. Tuttavia, vista la caratteristica molto ripida, il funzionamento in breakdown nei normali diodi è molto pericoloso e porta in genere alla rottura del componente.
I dati caratteristici di un diodo sono:
corrente massima ammissibile
potenza massima dissipabile
Dall'analisi della caratteristica si evince che il diodo è un componente non lineare, infatti tale curva non è una retta.
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Applicazione del diodo a giunzione
Applicazione del diodo a giunzione
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Raddrizzatore a una semionda
Raddrizzatore a una semionda
IlIl segnale d'ingresso, sinusoidale, viene applicato ad l d'i
i
id l i
li t d
un diodo in serie alla resistenza di carico. Se il catodo è rivolto verso il carico, il diodo consente è rivolto verso il carico il diodo consente
il passaggio delle sole semionde positive, lasciando a zero il valore della tensione in corrispondenza delle semionde negative.
• Viene usato principalmente per convertire (
)
tensioni (correnti) alternate in tensioni (correnti) continue.
• La sua caratteristica di funzionamento La sua caratteristica di funzionamento
consente anche di utilizzarlo per ostruire il passaggio di corrente in certi rami di circuito
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Curva caratteristica corrente ‐ tensione (I ‐ V) del Diodo
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Raddrizzatore a doppia semionda
Raddrizzatore a doppia semionda
Raddrizzatore a ponte di Graetz
Raddrizzatore a ponte di Graetz
Utilizzando un trasformatore con il secondario dotato di una presa a Utili
d
t f
t
il
d i d t t di
metà avvolgimento o anche detto trasformatore a presa centrale, è possibile ottenere due tensioni sfasate di 180º, che possono essere singolarmente raddrizzate per mezzo di due diodi. La tensione singolarmente raddrizzate per mezzo di due
diodi La tensione
totale del secondario del trasformatore, deve essere doppia rispetto a quella necessaria per il raddrizzamento ad una semionda.
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Raddrizzatore a ponte di Graetz
Raddrizzatore a ponte di Graetz
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Diodo zener
Diodo zener
IlIl diodo zener
di d
è
è costruito appositamente per sfruttare il t it
it
t
f tt
il
funzionamento in valanga del diodo. È infatti un diodo costruito secondo caratteristiche particolari per dissipare potenza con utilizzo in zona di "break down". In questo stato la tensione ai capi del diodo rimane approssimativamente costante al variare della corrente
approssimativamente costante al variare della corrente, perciò il diodo può fornire una tensione di riferimento relativamente costante: lo zener è un diodo ottimizzato per questo uso in cui la tensione di zener è resa il più per questo uso, in cui la tensione di zener
è resa il più
possibile insensibile alla corrente di valanga, anche se comunque una tensione inversa eccessiva porta il diodo alla rottura. Il motivo dell'elevata pendenza della corrente ll
tt
Il
ti d ll' l t
d
d ll
t
inversa è dovuta principalmente da due casi: l'effetto valanga e l'effetto Zener.
Principale svantaggio di questo metodo è di avere i i l
i di
d è di
una caduta di tensione pari a quella di due di di i
diodi in serie, quindi anche oltre 2
i
i di
h lt 2 volt. Nel lt N l
raddrizzare tensioni molto piccole si ha quindi una perdita e una distorsione eccessive
una perdita e una distorsione eccessive.
Una configurazione simile costituita da sei diodi permette di raddrizzare una tensione
di dd i
i
trifase
if
impiegando tutte e tre le fasi (anche più di tre i
in un sistema polifase, usando un numero it
lif
d
opportuno di diodi).
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Adottando quattro diodi disposti in Adottando
quattro diodi disposti in
configurazione a ponte di Graetz è possibile ottenere g
un segnale che è la somma di una semionda positiva più la semionda negativa capovolta (doppia semionda). Questa soluzione, molto usata l
l
negli alimentatori, rende molto più semplice il successivo filtraggio e livellamento della
filtraggio e livellamento della tensione fino ad ottenere una corrente continua, non richiedendo peraltro un trasformatore con doppio f
d
i
avvolgimento a presa centrale. 23
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Diodo zener
Diodo zener
Diodo zener
Diodo zener
• TTuttavia, per quanto lieve, la dipendenza dalla corrente è sempre tt i
t li
l di
d
d ll
t è
presente, e peggio ancora la tensione di zener varia sensibilmente con la temperatura ambientale: per questo motivo gli zener vengono utilizzati soprattutto per generare tensioni di gli zener
vengono utilizzati soprattutto per generare tensioni di
polarizzazione e stabilizzazione di alimentatori e non come campioni di tensione. Poiché i diodi zener vengono utilizzati in polarizzazione inversa, si ha un effetto capacitivo associato alla
polarizzazione inversa, si ha un effetto capacitivo associato alla zona di svuotamento in prossimità della giunzione, questa capacità detta di transizione varia tra valori trascurabili di qualche nF ed è rilevante per i diodi di elevata potenza in quanto p
p
q
condiziona la massima frequenza di lavoro.
• Sul corpo del diodo zener è stampata la tensione di lavoro del diodo stesso; la scritta 5V1 equivale ad una tensione di 5.1 Volt, ;
q
,
ovviamente in ingresso dovrà essere presente una tensione maggiore rispetto a quella da stabilizzare di almeno 2‐3 Volt.
Se polarizzato direttamente (tensione Se
polarizzato direttamente (tensione
anodo > tensione catodo), il diodo Zener ha un comportamento analogo al diodo normale (primo quadrante del grafico in figura). Caratteristica fi i fi
) C tt i ti
peculiare del diodo Zener è il suo comportamento quand'è polarizzato inversamente (tensione anodo < tensione catodo) e viene utilizzato in i
d ) i
ili
i
questo modo nella maggior parte delle applicazioni.
Quando la tensione ai capi del diodo Zener è compresa tra 0 V e Vz, il componente è interdetto e si comporta come un interruttore aperto. Non appena la tensione applicatagli sale in modulo (cioè decresce) oltre il valore Vz (detto tensione di Zener o tensione di breakdown) si innesca l'effetto valanga, per il quale si ha un forte passaggio di corrente tra i due terminali del dispositivo. Un normale diodo si distruggerebbe; il diodo Zener invece è capace di resistere al forte passaggio di corrente e mantiene ai suoi capi la tensione Vz.
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Applicazioni del diodo Zener: stabilizzazione di una tensione
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Applicazioni del diodo Zener: stabilizzazione di una tensione
IlIl valore della resistenza R1 l
d ll
it
R1
va calcolato in base alle g
,
nostre esigenze, e cioè in funzione della sua potenza e della tensione di alimentazione; infatti
di alimentazione; infatti al variare della tensione in ingresso, tensione in uscita ed al diodo zener
stesso, il valore resistivo R1 assumerà ogni volta
R1 assumerà ogni volta valori e dimensioni diverse
• P
Per poter creare una tensione t
t i
stabilizzata con un diodo zener, è sufficiente sempre disporre una resistenza di caduta di valore calcolato tra la tensione in ingresso e il catodo del diodo.
g
• Infatti come possiamo notare nello schema a sinistra, la resistenza R1 è collegata alla
resistenza R1 è collegata alla tensione in ingresso di 12Volt, ed al catodo del diodo zener; l'
l'anodo invece è collegato d i
è ll t
direttamente a GND.
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Applicazioni del diodo Zener: stabilizzazione di una tensione
Applicazioni del diodo Zener: stabilizzazione di una tensione
EEsempio:
i
Se il nostro circuito deve essere alimentato a 5 Volt con corrente massima di assorbimento pari a 30mA, impiegheremo un diodo zener da 5V1, ed il valore di R1 sarà:
d 5V1 d il l
di R1 à
R=(12 ‐ 5.1) : 0.030= 230ohm ==> di conseguenza il valore resistivo prossimo è 220ohm.
Per ricavare il suo valore efficace è sufficiente g
p
eseguire alcuni semplici calcoli:
R=(Vcc‐Vcz) : A in cui
in cui:
Formule da utilizzare per diodi zener di Formule da utilizzare per ricavare la
potenze differenti:
potenza della resistenza da applicare:
– R = valore ohmico resistenza R1;
– Vcc = tensione di alimentazione in ingresso;
– Vcz = tensione di lavoro diodo zener;
tensione di lavoro diodo zener;
– A = corrente di assorbimento circuito;
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Diodo led
Diodo led
per diodi
di di zener da
d 1/2 watt:
tt
Ohm = (Vcc ‐ Vcz) : (20 + mA) x 1000;
Watt = (Vcc ‐ Vcz) x (20 + mA) : 1000;
per diodi zener da 1 watt:
per diodi zener da 1 watt:
Ohm = (Vcc ‐ Vcz) : (30 + mA) x 1000;
Watt = (Vcc ‐ Vcz) x (30 + mA) : 1000;
per diodi zener da 2 watt:
per diodi zener da 2 watt:
Ohm = ((Vcc ‐ Vcz)) : ((40 + mA)) : 1000;
Watt = ((Vcc ‐ Vcz)) x ((40 + mA)) : 1000;
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Diodo led
Diodo led
Questi diodi emettono luce visibile se polarizzati direttamente: di Q
ti di di
tt
l
i ibil
l i ti di tt
t di
solito vengono usati per segnalazione su pannelli di controllo e come spie luminose, oppure come trasmettitori per telecomandi e fibre ottiche Di recente sono stati sviluppati modelli ad alta
fibre ottiche. Di recente sono stati sviluppati modelli ad alta luminosità adatti per illuminotecnica, e già oggi esistono in commercio numerosi apparecchi di illuminazione che utilizzano i LED come sorgenti in alternativa alle tradizionali lampade ad
LED come sorgenti in alternativa alle tradizionali lampade ad incandescenza e alle lampade fluorescenti, con grossi vantaggi in termini di risparmio energetico, durata e resa cromatica. La loro tensione di polarizzazione diretta varia a seconda della
La loro tensione di polarizzazione diretta varia a seconda della lunghezza d'onda della luce che emettono, ed emettono tanta più luce quanta più corrente li attraversa: in genere è necessario una corrente minima di 4 mA (corrente di soglia) perché possano (
g )p
p
emettere luce in quantità percettibile.
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per diodi
di di zener da
d 1/2 watt:
tt
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LLa corrente varia in funzione del t
i i f i
d l
tipo di led impiegato. I diodi LED normali richiedono di media 15 mA per emettere una buona luminosità. Nel caso di LED HL ((alta luminosità) la corrente sale )
fino a valori di circa 20‐25 mA. LED di nuova concezione, ad altissima luminosità sono in
altissima luminosità sono in grado di assorbire correnti di molti ampere, per questi, è previsto l'accoppiamento i t l'
i
t
meccanico di un dissipatore di calore.
Colore
Tensione diretta
Infrarosso
1,3 V
Rosso
1,8 V
Giallo
1,9 V
Arancio
2,0 V
Verde
2,0 V
Azzurro
3,0 V
Blu
3,5 V
Ultravioletto
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4,0-4,5 V
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