DIODO A SEMICONDUTTORE
un conduttore è una sostanza in cui una carica elettrica può scorrere facilmente. Nei conduttori, già a
temperatura ambiente gli elettroni sono liberi di muoversi.
I conduttori sono caratterizzati di:
1) Una resistività molto piccola (ρ < 10-5Ω.m) e una conduttività molto elevata γ=1/ ρ
2) Avere atomi con meno di 4 elettroni nel livello più esterno di valenza. “La valenza indica il numero di
elettroni che un atomo guadagna, perde o mette in comune quando forma legami con altri atomi”.
Un isolante è una sostanza in cui una carica elettrica non scorre facilmente. La plastica e la gomma sono
buoni isolanti perché gli elettroni nei loro atomi hanno poca libertà, perciò non si trasferiscono con facilità
da un atomo all'altro. Alcuni di questi materiali sono impiegati per isolare i fili conduttori o le macchine
elettriche.
I SEMICONDUTTORI
I semiconduttori sono sostanze di natura cristallina che presentano una conduttività elettrica intermedia
tra quella dei conduttori metallici e quella degli isolanti; all’opposto
Materiali
Conduttività [S/m]
di quanto avviene negli isolanti, nei semiconduttori la conduttività
aumenta con l’aumentare della temperatura e può essere
Isolanti
γ < 10-4
aumentata con l’aggiunta di piccole quantità di sostanze chimiche.
semiconduttori
10-4 < γ < 104
I semiconduttori puri si dicono intrinseci.
TIPI DI SEMICONDUTTORI
Resistori
104 < γ < 107
I materiali che possiedono proprietà di semiconduttori sono
elementi quali il silicio (Si), il germanio (Ge), e l'arseniuro di gallio
Conduttori
γ > 107
(GaAs).
La temperatura di lavoro del Ge è fino a 90° C invece il Si, fino a 200° C
STRUTTURA ATOMICA DEI SEMICONDUTTORI
I semiconduttori come il silicio o il germanio hanno 4 elettroni di valenza (tetravalenti) che, vengono
condivisi con quattro atomi circostanti formando legami covalenti, ottenendo così, una struttura a forma
cristallina.
DROGAGGIO (DOPING) DEI SEMICONDUTTORI
Il semiconduttore a temperatura ambiente (25° C) si presenta, come un debole conduttore. Per modificare
la propria conducibilità si effettua il cosiddetto drogaggio: vengono inserite nel cristallo quantità
controllate di impurità di un elemento a valenza diversa.
Le impurità sono sostanze chimiche che possono essere:
• trivalenti (3 elettroni di legame), come l’alluminio (Al), bario (Ba), Indio (I) o gallio(Ga).
• Pentavalenti (5 elettroni di legame), come fosforo (P), arsenico (As)
GIUNZIONE P-N
Facendo diffondere in un cristallo puro di Si, da un estremità impurità
pentavalente ( detto donatore) ottenendo una zona di tipo N, ricca di
cariche negative (elettroni: cariche maggioritarie) e dall’altro impurità
trivalente (detto accettore) ottenendo una zona di tipo P, ricca di cariche
positive (lacune: cariche maggioritarie). La conducibilità dovuta alle cariche
maggioritarie aumenta co la concentrazione del drogante, mentre la
conducibilità dovuta alle cariche minoritarie (Lacune nella zona N e elettroni
nelle Zona P) aumenta con la temperatura.
La superficie di separazione delle due zona è detta giunzione.
All’atto della formazione della giunzione, gli elettroni maggioritari della
zona N diffondono verso la zona P (corrente di diffusione), dove la
concentrazione degli elettroni è minore; lo stesso avviene per le lacune
maggioritarie dalla zona P verso quella N.
Vɣ
1
Questo spostamento e accumulo di cariche provoca la nascita di un campo elettrico (barriera di potenziale)
il quale esercita una forza sui portatori, la corrente causata dal campo elettrico è detta corrente di deriva
(drift) e ha direzione opposta a quella di diffusione.
Alla condizione di equilibrio dinamico, quando, alla corrente di diffusione si oppone una corrente di deriva
di uguale intensità e verso opposto, in questa situazione la barriera di potenziale è definita tensione di
soglia Vɣ, e in prossimità della giunzione si crea una zona priva di cariche libere (detta zona di
svuotamento: depletion layer).
La tensione di soglia per il silicio è di 0,65 V approssimata a 0,7V, invece, nel germanio la tensione di soglia
è molto più bassa quasi 0,3 V e per questo è più adatto ad essere utilizzato come raddrizzatore
(rettificatore).
IL DIODO
Il diodo è un componente elettronico passivo a due
terminali (bipolo) a giunzione P-N, teoricamente con una
conducibilità unidirezionale da anodo a catodo.
• Simbolo:
Anodo: morsetto positivo
Catodo: morsetto negativo
Polarizzazioni del diodo
Il principio di funzionamento si basa sulla capacità di
trasferimento di elettroni dalla zona P alla zona N,
chiamato fenomeno di diffusione, ed a seconda della polarizzazione
che gli si applica ai suoi capi.
polarizzazione diretta, quando si applica al diodo una tensione
esterna con il polo positivo collegato al morsetto positivo (Anodo) del
diodo, con un valore maggiore della tensione di soglia del diodo
stesso.
polarizzazione inversa, il positivo del generatore è collegato al
negativo del diodo, e si ha una corrente
debolissima dell’ordine del nano ampère (quasi
zero), che va dalla zona N a P. in questo caso il
diodo è considerato interdetto.
CURVA CARATTERISTICA REALE
È la rappresentazione grafica tra la corrente e la tensione.
La
relazione fra I e V è di tipo esponenziale; la curva non ha un andamento
KT rettilineo e quindi il diodo è un componente non lineare
VT
q VT : tensione termica è uguale a 25 mV a 25°C-23
K:
costante di Boltzman, è uguale a 1,3806488*10 [J/K]
T: temperatura di lavoro, in gradi Kelvin, [K]
T(°C) = T(K) - 273,15 0°C = - 273,15 K oppure 0 K = 273,15°C
q: quantità di carica, 1,602 x 10-19C
η: fattore di correzione è uguale 1 per correnti normali da 10 a 20mA e a 2 per correnti elevati.
Quando la tensione diretta è compresa tra 0 e Vɣ = 0,65 V, la corrente è nulla
Polarizzazione diretta (direct bias) per V > 0,65 V il diodo conduce e la corrente aumenta notevolmente.
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Polarizzazione inversa (reverse bias) per Vz < V < 0; il diodo è interdetto e si ha una corrente inversa I0
dell’orine del µA, quasi zero.
Vz tensione di breakdown , tensione di rottura del diodo, a questa tensione la corrente inversa aumenta
bruscamente, provocando la rottura della giunzione.
FUNZIONAMENTO E MODELLI APPROSSIMATI DEL DIODO
L'uso della caratteristica non lineare del diodo per la soluzione di circuiti è decisamente poco pratico.
Comunemente si ricorre, quindi, a modelli circuitali del diodo.
Modello 1 (diodo ideale): si considera la tensione di soglia Vɣ = 0 V, Il diodo si comporta come un circuito
aperto se esternamente si applica tra anodo e catodo, una tensione V < 0 o come un cortocircuito per una
tensione positiva V ≥ 0.
Modello 2: il diodo assomiglia ad un generatore da 0,7 V, quando è polarizzato direttamente con una
tensione V ≥ 0,7 V, e da interruttore aperto in polarizzazione inversa V < 0 .
Modello 3: è quello che meglio approssima la curva reale, il diodo assomiglia a interruttore aperto, quando
la tensione esterna è V < 0,7 V; per V ≥ 0,7 V, il diodo è paragonato ad un generatore da 0,7V con la
propria resistenza interna RD generalmente è inferiore a 1Ω.
Applicazioni
• Raddrizzatore o rectifier
• Fissatore (Clamper)
• Limitatore (Clipper)
• Moltiplicatore
• Rilevatore di inviluppo
• Stabilizzatore
Diodo in corrente alternata
Fa passare solo la semionda positiva (se polarizzato direttamente) della sinusoide e blocca la semionda
negativa.
raddrizzatore o rectifier
È usato per trasformare la corrente alternata in corrente continua. Inizialmente il circuito era basata sul
germanio, ora sul silicio.
Raddrizzatore a semplice semionda
Raddrizzatore a doppia semionda
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Raddrizzatore a ponte di diodi (o a ponte di Graetz)
Questa soluzione, molto usata negli alimentatori, rende molto più semplice il successivo filtraggio e
livellamento della tensione fino ad ottenere una corrente continua
stabilizzare o regolatore di tensione
I diodi Zener, a differenza dei diodi al silicio, non vengono utilizzati per raddrizzare tensioni
alternate, ma solamente per stabilizzare tensioni continue.
Il diodo in questo caso è polarizzato inversamente.
Alimentatore
Parametri dei diodi reali
diodi raddrizzatori (rectifier diode) – adatti per il raddrizzamento di tensioni anche di elevata entità
In tutti i casi, i principali parametri riportati dai data sheet sono:
VF : tensione diretta (forward voltage)
P potenza (power) – potenza massima dissipabile dal diodo
IF,AV corrente diretta media (average forward current)
VRM massima tensione inversa (maximum reverse voltage)
IL DIODO LED
il cui acronimo è Light Emitting Diode, ovvero un diodo ad emissione di luce, è un
componente elettronico al silicio, a giunzione P-N.
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I LED possono essere formati da GaAs (arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), AlGaAs (Arseniuro di
Alluminio-Gallio).
I diodi LED, polarizzati direttamente con una tensione compresa tra 1.5Volt e 3.2Volt, consentono il
passaggio di corrente compreso tra 10 e 30 mA all'interno della sua giunzione, emetteranno una luce;
A seconda del materiale utilizzato, i LED producono i seguenti colori:
AlGaAs - rosso ed infrarosso
- GaAlP – verde - blu
GaAsP - rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo
LED ALIMENTATO IN AC
Occorre inserire in parallelo al LED un diodo D1, in
modo da proteggerlo dai picchi negativi
dell’alimentazione.
In AC La distinzione fra Anodo e Catodo non ha
nessuna importanza
CALCOLO DELLA RESISTENZA DI PROTEZIONE AL
DIODO
Ora alimentiamo il diodo con corrente continua (DC) e in questo caso è
fondamentale rispettare la polarità. Il Catodo(K) va sempre rivolto verso il
negativo.
Id e Vd sono la corrente e la tensione diretta del diodo, sono valori noti dal
costruttore
Vcc: tensione di alimentazione
R = (Vcc – Vd)/Id
Esempio: Vcc=12V, Vd= 2,5 V e Id=15mA R = (12-2,5)/0,015 = 633,33 ohm
DIODO SCHOTTY
È un diodo costituito da una giunzione tra un metallo e un
semiconduttore leggermente drogato.
Ha tempi di commutazione inferiori al nanosecondo, è utilizzato nelle
applicazioni veloci, di alta frequenza.
Ha una bassa tensione di soglia di circa 0,3V
FOTODIODO
Funziona come trasduttore ottico, che trasforma l’energia luminosa in elettrica.
Entra in conduzione solo quando viene colpiti frontalmente da una fonte luminosa. Più
e’ forte la luminosità diretta sul diodo, maggiore sarà il passaggio di corrente.
Viene impiegato nel campo delle comunicazioni a fibre ottiche, dove sono utilizzati come
dispositivi di ricezione per il riconoscimento del segnale contenente l'informazione.
DIODO PIN
Un Diodo PIN (vuol dire Positive Intrinsic Negative: diodo tipo-P, Intrinseco, tipo-N) è formato da tre zone:
una larga regione di semiconduttore intrinseco contenuta tra una zona tipo P e una zona tipo N.
Sono utilizzati come trasduttori di destinazione (ricevitore) nelle fibre ottiche. Convertono il segnale ottico
(luminoso) in un segnale elettrico.
Alle alte frequenze il diodi PIN si comporta come una resistenza. Le sue applicazioni riguardano soprattutto
l’ambito delle microonde e delle onde radio (RF: Radio Frequenza).
TIRISTORE: I tiristori sono una famiglia di semiconduttori, caratterizzati dal funzionamento tipo
"interruttore”. I tiristori sono utilizzati nei circuiti di commutazione e controllo della potenza (regolazione
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della velocità di motori elettrici nella trazione ferroviaria ed altre applicazioni industriali), sia con tensioni
continue che con tensioni alternate. I componenti più comuni, soni il diodo SCR, il TRIAC e il DIAC.
SCR: Silicon Controlled Retifier, Raddrizzatore o rettificatore controllato al
silicio.
Dal punto di vista elettrico pressoché equivalente al diodo con la sola
differenza che la conduzione diretta avviene solamente in seguito
all'applicazione di un opportuno segnale di innesco su un terzo terminale
denominato Gate. Perché il segnale di innesco sia valido deve superare un
valore di corrente minimo (latching current: corrente di scatto) che dipenda
dal tiristore. La conduzione permane anche alla
cessazione del segnale e fino a che la corrente diretta
non scenda sotto un valore minimo di mantenimento
(detto corrente di tenuta: holding current), anche in
seguito all'inversione della polarità della tensione A-K.
trovano impiego nella regolazione della velocità di
motori elettrici, negli inverter e nei raddrizzatori di
tensione
TRIAC
Il Triac è un componente elettronico, di tipo semiconduttore,
specificamente progettato per controllare carichi in corrente
alternata (dall'inglese Triode for alternating current).
L'applicazione tipica del Triac si ha nei varialuce per i lampadari
domestici, per la regolazione della velocità in elettrodomestici e
piccoli motori elettrici. Il TRIAC può essere considerato come due
diodi SCR collegati in antiparallelo, ovvero affiancati, ma con
direzioni opposte. Gli anodi dei due SCR diventano i terminali
principali del triac, ed assumono il nome di MT2 e MT1. I gate dei due SCR vengono collegati insieme, e
diventano il gate del triac il TRIAC può essere attraversato dalla corrente in entrambi i sensi; occorre
notare, inoltre, che il suo passaggio allo stato "on", e cioè di conduzione, può avvenire applicando al gate
una tensione sia positiva che negativa.
DIAC (Diode for Alternating Current: diodo per corrente alternata)
Indica un raddrizzatore bidirezionale che consente il passaggio di corrente
quando l’ampiezza della tensione applicata tra i terminali supera un
determinato valore di soglia. È un elemento della famiglia dei tiristori, analogo
al triac, ma privo dell’elettrodo di controllo, il DIAC costituisce un valido
sistema di innesco per i TRIAC e SRC nei circuiti a controllo di fase come i
regolatori di luce, i sistemi di controllo di velocità dei motori, ecc. In effetti, questa è l'unica applicazione
importante dei DIAC.
circuito varia luce
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Diodo a giunzione: esercizi risolti
Esercizio no.1
Nel circuito di figura, Vγ =0,5V, RD=50Ω RL=500Ω : trovare vo quando :
1) vi=5V
2) vi=6V
3) vi=2V
[Risp.:caso 1: vo= 4,1V; caso 2: vo= 5V; caso 3: vo= 1,36V ]
Esercizio no.2
Nel circuito di figura vi è un'onda triangolare con escursione da -15 a +15V; disegnare
vo considerando: Vγ =0,5V
RD=0;
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Esercizio no.3
Disegnare la vo sapendo che : E=2V RL=100Ω Vγ =0,5V e RD=20Ω
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Esercizio no.4
Nel circuito risulta: E=9V R=6kΩ RL=3kΩ. Vγ =0,5V RD=0Ω
Trovare la forma d'onda in uscita se in ingresso si ha vi=6sin( t)
(onda sinusoidale con ampiezza 6V)
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Esercizio no.5
Disegnare la vo se vi è un'onda triangolare con escursione -12 +12V.
Considerare: Vγ =0,5V RD=0 E=5V
R=500Ω
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Esercizio no.6
Nel circuito di figura: Vγ =0,6V RD=40Ω
trovare vo quando : 1) vi=5V
2) vi=6V
3) vi=2V
[Risp.:caso 1: vo= 4,07V; caso 2: vo= 5V; caso 3: vo= 1,29V ]
RL=500Ω
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Esercizio n° 7
Dato il circuito di figura nel quale il diodo si suppone ideale:
dove: R1 = 1 K; R2 = 10 K e Vi = 10 sent, calcolare e disegnare
la tensione d’uscita Vo.
Esercizio n° 8
Dato il circuito di figura, ricavare e tracciare l'andamento della
Vo in funzione di Vi
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