DIODI
Componente elettronico che permette il passaggio di corrente elettrica in una sola direzione. I primi diodi
furono realizzati con la tecnologia dei tubi a vuoto, ed erano costituiti da un involucro cilindrico sigillato, di
vetro o di acciaio, sotto vuoto, nel quale erano contenuti gli elettrodi: un catodo e un anodo; poiché gli elettroni
potevano spostarsi solo dal catodo all’anodo, e quindi lungo una direzione prefissata, i diodi a vuoto venivano
usati per il raddrizzamento delle correnti alternate. I diodi d’impiego più comune nei circuiti elettronici attuali
sono a semiconduttore. Il più semplice tra questi, il diodo al germanio a punto di contatto, risale ai primordi
della radiofonia, quando il segnale radio era rivelato, in ricezione, per mezzo di un cristallo di germanio sul
quale si appoggiava un sottile filo metallico appuntito. Nei moderni diodi a punto di contatto, al germanio o al
silicio, il filo e una sottile lastrina di cristallo sono montati all’interno di un piccolo tubo di vetro e collegati ai
due terminali che sporgono dalle estremità del tubo, chiuse per fusione. I diodi a giunzione si basano sulle
proprietà fisiche della superficie di separazione tra due zone di uno stesso cristallo semiconduttore, aventi
caratteristiche diverse; tale superficie è detta, appunto, giunzione. Il diodo zener è un particolare tipo di diodo a
giunzione al silicio in grado di mantenere, in opportune condizioni, una tensione fra i terminali indipendente
dalla corrente che lo percorre; questa caratteristica è sfruttata negli stabilizzatori di tensione. Un altro tipo
speciale di diodo a giunzione è impiegato nelle celle solari; infatti produce spontaneamente una tensione fra i
terminali quando la giunzione viene illuminata. L’inverso avviene per i diodi a emissione di luce (LED), che
emettono una radiazione luminosa quando sono percorsi da corrente. I LED sono usati come indicatori
luminosi, nei visualizzatori numerici tipici delle calcolatrici e degli orologi digitali, nei telecomandi e nei
sistemi a fibre ottiche.
Semiconduttore Materiale solido o liquido in grado di condurre elettricità, a temperatura ambiente, molto più
di un isolante, ma meno di un conduttore metallico. La conducibilità elettrica, cioè la capacità di lasciar
passare corrente sotto l'azione di una tensione, è una delle proprietà della materia che assume il più ampio
range di valori in natura. Alcuni metalli, come rame, argento e alluminio, sono eccellenti conduttori, ma altri
materiali, come diamante e vetro, sono isolanti pressoché perfetti. A temperature molto basse, i semiconduttori
puri si comportano come isolanti, ma la loro conducibilità può aumentare drasticamente, o a temperature
elevate, o per effetto della luce, o aggiungendo piccole percentuali di altre sostanza. La fisica dello stato solido
studia le proprietà di questi materiali.
La conduzione: elettroni e lacune
Tra i semiconduttori comuni troviamo alcuni elementi come silicio, germanio e selenio, e alcuni composti chimici,
come l'arseniuro di gallio, il seleniuro di zinco e il telluriuro di piombo. La crescita della conducibilità di questi
materiali con la temperatura, l'irraggiamento o l'aggiunta di impurità è dovuta all'aumento del numero di elettroni liberi,
che sono i portatori di carica elettrica. In un semiconduttore puro, o intrinseco, come il silicio, gli elettroni di valenza,
che occupano le orbite più esterne di un atomo, sono condivisi, a due a due, con altri atomi adiacenti, per formare i
legami covalenti che uniscono gli atomi e danno consistenza al cristallo. In condizioni ordinarie, gli elettroni di valenza
sono vincolati ai nuclei degli atomi e occupano posizioni fisse all'interno del solido; tuttavia, l'energia termica e la luce
possono rompere i legami chimici, liberando delle cariche elettriche che, spostandosi, danno luogo a una corrente. Nella
posizione lasciata libera (lacuna) da uno di questi elettroni, rimane un eccesso di carica positiva, che viene compensato
dallo spostamento di uno degli elettroni di valenza adiacenti. L'eccesso di carica positiva si trasferisce così a un atomo
vicino e l'effetto equivale allo spostamento della lacuna, che può così "muoversi" nel materiale. In sostanza, la rottura di
un legame covalente genera due portatori di carica liberi: un elettrone e una lacuna (equivalente a una carica positiva).
Questo giustifica l'aumento di conducibilità del materiale per irraggiamento o per riscaldamento. L'energia necessaria
per liberare un elettrone da un legame covalente è detta gap di energia.
Il drogaggio
Un altro metodo per introdurre cariche libere in un cristallo semiconduttore viene detto "drogaggio" e consiste
nell'inserimento di piccolissime percentuali di materiali (impurità o droganti) con tre o cinque elettroni di valenza (i
semiconduttori ne hanno quattro). Ogni atomo di drogante sostituisce, nei legami covalenti, un atomo di
semiconduttore. Se il drogante ha cinque elettroni, uno di essi resta libero per la conduzione: il drogante si dice
"donatore" e il semiconduttore, così drogato, è detto di tipo n, poiché ha prevalenza di elettroni come cariche libere
(negative). Se il drogante ha tre soli elettroni di valenza, il legame covalente è incompleto e si crea una lacuna, che,
come abbiamo visto, equivale a una carica libera positiva: il drogante si dice "accettore" e il semiconduttore drogato è
detto di tipo p, poiché prevalgono le lacune (positive) come cariche libere. Questo concetto è illustrato dallo schema,
che mostra un cristallo di silicio (Si) drogato. I quattro elettroni di valenza di ogni atomo sono rappresentati da punti.
Nel cristallo con drogaggio n alcuni atomi di fosforo (P), con cinque elettroni di valenza, sostituiscono altrettanti atomi
di silicio, lasciando, ciascuno, un elettrone libero. Nel cristallo con drogaggio p, sono inseriti atomi di alluminio (Al),
con tre elettroni di valenza; ciascun atomo comporta la mancanza di un elettrone nel legame, cioè produce una lacuna.
Si ottiene, in ogni caso, un aumento della conducibilità.
Se, in uno stesso cristallo, vengono realizzate una zona p e una zona n adiacenti, si forma una "giunzione p-n". Le
proprietà di questa giunzione sono alla base del funzionamento del diodo a semiconduttore, che presenta una
grandissima resistenza elettrica al passaggio della corrente in una direzione e una resistenza molto bassa in direzione
opposta. Le proprietà elettriche di una giunzione p-n dipendono dalla polarità della tensione applicata che, perciò, può
essere usata per controllare il comportamento del diodo (conduttore o isolante). I diodi vengono usati come
raddrizzatori e in molte altre applicazioni. Combinazioni di più giunzioni permettono di realizzare i transistor e
dispositivi come celle solari, laser a giunzione e molti altri. I componenti a semiconduttore hanno un'infinità di
applicazioni nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche. La tecnologia dell'integrazione, che permette di realizzare,
sfruttando le proprietà delle giunzioni p-n, centinaia di migliaia di componenti sulla superficie di una piccola porzione
di cristallo di silicio, ha reso possibile l'attuale grado di miniaturizzazione dei dispositivi elettronici. La realizzazione di
nuovi tipi di transistor, detti MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), usati in coppie complementari (con conduzione
affidata a semiconduttore di tipo p l'uno e di tipo n l'altro), ha permesso di aumentare ancor più l'efficienza di questi
circuiti (integrati C-MOS). Si realizzano, inoltre, dispositivi estremamente piccoli usando tecniche di impiantazione
molecolare nello strato epitassiale.
Diodo Zener : Sono dei particolari tipi di diodi concepiti per essere usati in polarizzazione inversa e, in particolare nella
zona di breakdown. Questi diodi sono caratterizzati da tensioni di rottura inverse di valori noti con sufficiente
precisione e sono disponibili per un numero elevato di valori di tensione di zener. Sono molto usati per produrre
tensioni di riferimento precise e stabili, necessarie per realizzare alimentatori stabilizzati.
R = Vimin - Vz/( Ilmax + Izmin) formula per calcolare la resistenza da inserire in serie al diodo zener in modo che
possa funzionare da stabilizzatore.
Vi = tensione di alimentazione
Ilmax = corrente massima del carico
Nel diodo normale la R = Vi - Vo/I
Vo = 1.7 V
I0 = 10 mA
