Osservazioni
In questa lezione verrà descritto il funzionamento del diodo, dunque verrà rappresentata la caratteristica del diodo, ovvero il grafico che descrive in che modo variano la corrente e la tensione in questo tipo di dispositivo. La comprensione di tale grafico risulta assai importante per la comprensione del dispositivo stesso, pertanto in aula verranno proiettate delle slides per aiutare gli allievi a focalizzare meglio l'argomento trattato.
Gli obiettivi che si vogliono raggiungere non sono solo quelli di far conoscer agli alunni le nozioni fondamentali sul funzionamento del diodo ma di renderli abili nel saper leggere la caratteristica I – V del diodo, nel riconoscere il simbolo grafico e saper utilizzare il modello del diodo a semiconduttore, nel saper applicare i modelli approssimati del diodo ed infine nel risolvere semplici reti con diodi utilizzando i modelli equivalenti.
IL DIODO
I diodi sono dei dispositivi non lineari che assumono una notevole rilevanza elle applicazioni elettroniche nonostante la categoria dei dispositivi non lineari e, più in generale, dei circuiti non lineari sia molto vasta e complessa. L’importanza di tale componente consiste nella capacità di condurre corrente in un verso e di impedirne il passaggio nel verso opposto, dunque tale dispositivo in grado di funzionare come un interruttore aperto o chiuso a seconda della tensione presente ai suoi capi. Molte applicazioni utilizzano le caratteristiche del diodo, per esempio per rendere unidirezionale un segnale bidirezionale oppure per rendere stabile una tensione variabile. Una struttura costituita da una giunzione p - n con contatti ohmici agli estremi delle zone neutre p ed n si comporta come un diodo. Per questo tale dispositivo prende il nome di diodo a giunzione p – n. La caratteristica corrente-tensione è fortemente asimmetrica come si vede in figura c in basso. Con polarizzazione diretta la corrente cresce esponenzialmente, mentre con polarizzazione inversa satura ad un valore I0 molto piccolo.
Il diodo a giunzione P-N è caratterizzato da una rapida crescita della corrente se è polarizzato direttamente e da una conduzione di corrente praticamente nulla se polarizzato inversamente.
Nella figura è indicato il simbolo circuitale con le sigle dei due terminali, anodo (A) e catodo (K), rispettivamente corrispondenti alle zone drogate con impurezze accettori, zona n, ed impurezze donori, zona p.
Come si vede dalla caratteristica del diodo al Si, in figura 6, per tensioni V positive la giunzione è in polarizzazione diretta la corrente diretta fluisce dall’anodo al catodo. Per valori compresi tra 0 e
, la corrente assume valori trascurabili. Per valori di V superiori a la corrente cresce esponenzialmente assumendo valori anche considerevoli.
Per tensioni V negative la giunzione è in polarizzazione inversa e la corrente, chiamata corrente inversa di saturazione, I0 fluisce dal catodo all’anodo e presenta valori molto piccoli. Per un dato valore di tensione negativa, piuttosto elevato, la giunzione diventa improvvisamente conduttrice, la giunzione subisce un fenomeno di rottura (o di break-down) in cui i legami covalenti nel deplation layer si rompono con conseguente brusco aumento di portatori e quindi di corrente. Ciò giustifica l’andamento quasi verticale che assume la caratteristica inversa. Il fenomeno di breakdown nella giunzione è dovuto a due meccanismi di rottura: effetto zener ed effetto valanga.
L’effetto Zener è un aumento dei portatori minoritari dovuto al campo elettrico esterno che, assumendo un valore molto elevato, rompono direttamente i legami covalenti presenti nella regione di svuotamento.
L’effetto valanga ha origine nella regione di svuotamento: i portatori minoritari (generati termicamente) sono accelerati dal campo elettrico e acquistano energia sufficiente per liberare, tramite urti con i legami covalenti, altri portatori, ossia elettroni di valenza; le nuove cariche libere, a loro volta, accelerate dal campo elettrico, urtano contro altri legami covalenti liberando altri portatori, e così via “a valanga”.
Considerazioni sul funzionamento
Il modo più semplice per descrivere il principio di funzionamento del diodo è quello che considera una tensione di soglia e una corrente di saturazione inversa, trascurabili. Con queste semplificazioni possiamo dire che il diodo a giunzione passa dallo stato di conduzione a quello di interdizione (stato di spegnimento) quando la tensione esterna si inverte.
Idealmente possiamo quindi considerare il diodo come un conduttore perfetto in polarizzazione diretta e come un isolante perfetto in polarizzazione inversa.
Nella realtà, osservando la curva corrente-tensione di un diodo, si nota che la conduzione in polarizzazione diretta è possibile solo superando una tensione di soglia Vg. In aggiunta, la conduzione non avviene a resistenza nulla. Il valore della tensione di soglia può variare da 0.6 a 0.8 V, per diodi al silicio, mentre nel caso del germanio varia tra 0.2 a 0.4 V. Il valore della resistenza, in regime di conduzione è invece molto basso (poche decine di W), e in genere nelle applicazioni pratiche può essere trascurato.
In pratica si usa la seguente approssimazione: per tensioni maggiori di, il diodo si comporta come un conduttore con resistenza trascurabile, altrimenti come un isolante.
In alcune applicazioni tuttavia è necessario conoscere con maggior precisione i valori di corrente-tensione del diodo. In questi casi si può utilizzare la legge che lega la corrente che scorre in una giunzione alla tensione di polarizzazione e, quindi, risolvere analiticamente le equazioni del circuito in esame.
Per le proprietà dette il diodo è impiegato come raddrizzatore e come interruttore di corrente nei circuiti elettrici ed elettronici, e in queste funzioni ha rimpiazzato quasi completamente il vecchio tubo a vuoto (valvola).
Prima di passare all’analisi dei circuiti con i diodi elenchiamo i tre modelli con i quali si può sostituire il diodo a seconda del tipo di circuito in cui è inserito.
Modelli approssimati del diodo
Il diodo all’interno dei circuiti risulta un elemento particolarmente difficile da trattare per via della caratteristica non lineare che lega la tensione alla corrente, ma tuttavia si ricorre a dei modelli circuitali del diodo, introducendo approssimazioni più o meno drastiche a seconda del tipo di applicazione.
In questo modo la curva caratteristica si riduce a una spezzata che interpola la caratteristica reale.
Diodo come interruttore (MODELLO 1). Tale modello considera il diodo in polarizzazione inversa come un’interruttore aperto e il diodo in polarizzazione diretta come un interruttore chiuso ossia un cortocircuito.
Diodo come batteria Vf
(MODELLO 2) . In polarizzazione diretta è spesso necessario tenere conto della caduta di tensione pari alla tensione di soglia. Il valore di Vf che si assume di solito è di 0,7 V e il modello corrispondente è costituito da una batteria pari a Vf.
Diodo come batteria Vf e resistenza interna Rf
(MODELLO 3). Questo è il modello più preciso che tiene conto, in polarizzazione diretta, anche della variazione della tensione ai capi del diodo al variare della corrente che lo attraversa. Vf vale sempre 0.7V se non indicato diversamente mentre Rf è dell’ordine delle decine di ohm.
In questa lezione verrà descritto il funzionamento del diodo, dunque verrà rappresentata la caratteristica del diodo, ovvero il grafico che descrive in che modo variano la corrente e la tensione in questo tipo di dispositivo. La comprensione di tale grafico risulta assai importante per la comprensione del dispositivo stesso, pertanto in aula verranno proiettate delle slides per aiutare gli allievi a focalizzare meglio l'argomento trattato.
Gli obiettivi che si vogliono raggiungere non sono solo quelli di far conoscer agli alunni le nozioni fondamentali sul funzionamento del diodo ma di renderli abili nel saper leggere la caratteristica I – V del diodo, nel riconoscere il simbolo grafico e saper utilizzare il modello del diodo a semiconduttore, nel saper applicare i modelli approssimati del diodo ed infine nel risolvere semplici reti con diodi utilizzando i modelli equivalenti.
IL DIODO
I diodi sono dei dispositivi non lineari che assumono una notevole rilevanza elle applicazioni elettroniche nonostante la categoria dei dispositivi non lineari e, più in generale, dei circuiti non lineari sia molto vasta e complessa. L’importanza di tale componente consiste nella capacità di condurre corrente in un verso e di impedirne il passaggio nel verso opposto, dunque tale dispositivo in grado di funzionare come un interruttore aperto o chiuso a seconda della tensione presente ai suoi capi. Molte applicazioni utilizzano le caratteristiche del diodo, per esempio per rendere unidirezionale un segnale bidirezionale oppure per rendere stabile una tensione variabile. Una struttura costituita da una giunzione p - n con contatti ohmici agli estremi delle zone neutre p ed n si comporta come un diodo. Per questo tale dispositivo prende il nome di diodo a giunzione p – n. La caratteristica corrente-tensione è fortemente asimmetrica come si vede in figura c in basso. Con polarizzazione diretta la corrente cresce esponenzialmente, mentre con polarizzazione inversa satura ad un valore I0 molto piccolo.
Il diodo a giunzione P-N è caratterizzato da una rapida crescita della corrente se è polarizzato direttamente e da una conduzione di corrente praticamente nulla se polarizzato inversamente.Nella figura è indicato il simbolo circuitale con le sigle dei due terminali, anodo (A) e catodo (K), rispettivamente corrispondenti alle zone drogate con impurezze accettori, zona n, ed impurezze donori, zona p.
Come si vede dalla caratteristica del diodo al Si, in figura 6, per tensioni V positive la giunzione è in polarizzazione diretta la corrente diretta fluisce dall’anodo al catodo. Per valori compresi tra 0 e
, la corrente assume valori trascurabili. Per valori di V superiori a la corrente cresce esponenzialmente assumendo valori anche considerevoli.Per tensioni V negative la giunzione è in polarizzazione inversa e la corrente, chiamata corrente inversa di saturazione, I0 fluisce dal catodo all’anodo e presenta valori molto piccoli. Per un dato valore di tensione negativa, piuttosto elevato, la giunzione diventa improvvisamente conduttrice, la giunzione subisce un fenomeno di rottura (o di break-down) in cui i legami covalenti nel deplation layer si rompono con conseguente brusco aumento di portatori e quindi di corrente. Ciò giustifica l’andamento quasi verticale che assume la caratteristica inversa. Il fenomeno di breakdown nella giunzione è dovuto a due meccanismi di rottura: effetto zener ed effetto valanga.
L’effetto Zener è un aumento dei portatori minoritari dovuto al campo elettrico esterno che, assumendo un valore molto elevato, rompono direttamente i legami covalenti presenti nella regione di svuotamento.
L’effetto valanga ha origine nella regione di svuotamento: i portatori minoritari (generati termicamente) sono accelerati dal campo elettrico e acquistano energia sufficiente per liberare, tramite urti con i legami covalenti, altri portatori, ossia elettroni di valenza; le nuove cariche libere, a loro volta, accelerate dal campo elettrico, urtano contro altri legami covalenti liberando altri portatori, e così via “a valanga”.
Considerazioni sul funzionamento
Il modo più semplice per descrivere il principio di funzionamento del diodo è quello che considera una tensione di soglia e una corrente di saturazione inversa, trascurabili. Con queste semplificazioni possiamo dire che il diodo a giunzione passa dallo stato di conduzione a quello di interdizione (stato di spegnimento) quando la tensione esterna si inverte.
Idealmente possiamo quindi considerare il diodo come un conduttore perfetto in polarizzazione diretta e come un isolante perfetto in polarizzazione inversa.
Nella realtà, osservando la curva corrente-tensione di un diodo, si nota che la conduzione in polarizzazione diretta è possibile solo superando una tensione di soglia Vg. In aggiunta, la conduzione non avviene a resistenza nulla. Il valore della tensione di soglia può variare da 0.6 a 0.8 V, per diodi al silicio, mentre nel caso del germanio varia tra 0.2 a 0.4 V. Il valore della resistenza, in regime di conduzione è invece molto basso (poche decine di W), e in genere nelle applicazioni pratiche può essere trascurato.
In pratica si usa la seguente approssimazione: per tensioni maggiori di
, il diodo si comporta come un conduttore con resistenza trascurabile, altrimenti come un isolante.In alcune applicazioni tuttavia è necessario conoscere con maggior precisione i valori di corrente-tensione del diodo. In questi casi si può utilizzare la legge che lega la corrente che scorre in una giunzione alla tensione di polarizzazione e, quindi, risolvere analiticamente le equazioni del circuito in esame.
Per le proprietà dette il diodo è impiegato come raddrizzatore e come interruttore di corrente nei circuiti elettrici ed elettronici, e in queste funzioni ha rimpiazzato quasi completamente il vecchio tubo a vuoto (valvola).
Prima di passare all’analisi dei circuiti con i diodi elenchiamo i tre modelli con i quali si può sostituire il diodo a seconda del tipo di circuito in cui è inserito.
Modelli approssimati del diodo
Il diodo all’interno dei circuiti risulta un elemento particolarmente difficile da trattare per via della caratteristica non lineare che lega la tensione alla corrente, ma tuttavia si ricorre a dei modelli circuitali del diodo, introducendo approssimazioni più o meno drastiche a seconda del tipo di applicazione.
In questo modo la curva caratteristica si riduce a una spezzata che interpola la caratteristica reale.
Diodo come interruttore (MODELLO 1). Tale modello considera il diodo in polarizzazione inversa come un’interruttore aperto e il diodo in polarizzazione diretta come un interruttore chiuso ossia un cortocircuito.
Diodo come batteria Vf
(MODELLO 2) . In polarizzazione diretta è spesso necessario tenere conto della caduta di tensione pari alla tensione di soglia. Il valore di Vf che si assume di solito è di 0,7 V e il modello corrispondente è costituito da una batteria pari a Vf.
Diodo come batteria Vf e resistenza interna Rf
(MODELLO 3). Questo è il modello più preciso che tiene conto, in polarizzazione diretta, anche della variazione della tensione ai capi del diodo al variare della corrente che lo attraversa. Vf vale sempre 0.7V se non indicato diversamente mentre Rf è dell’ordine delle decine di ohm.
Criteri per la sostituzione dei modelli approssimati
Quando i circuiti sono complessi non è semplice stabilire se il diodo conduce oppure no per sostituire il corrispondente circuito equivalente. In tal caso conviene ricordare a memoria a seguente regola.
Se da una veloce analisi del circuito si trova che la corrente che attraversa il ramo in cui è inserito il diodo è maggiore allora esso conduce e lo sostituiremo con il corrispondente modello.
Se invece la tensione ai capi del diodo è minore della tensione di soglia, allora non conduce e lo sostituiremo con un interruttore aperto.
Esempio 1
Relativamente al seguente circuito in cui RL=100
e la tensione d’ingresso è un’onda triangolare con escursione da –5V a +5V, determinare la tensione in uscita Vout, per i tre modelli del diodo e rappresentarla graficamente per ciascun modello. Considerare per il terzo modello Rf=5, Vf=0.7V.
Relativamente al seguente circuito in cui RL=100
e la tensione d’ingresso è un’onda triangolare con escursione da –5V a +5V, determinare la tensione in uscita Vout, per i tre modelli del diodo e rappresentarla graficamente per ciascun modello. Considerare per il terzo modello Rf=5, Vf=0.7V. 
Risoluzione
MODELLO 1.
Per Vin<0, vout="0.">=0, il diodo conduce con una resistenza nulla, quindi si comporta come un interruttore chiuso, per cui Vout=Vin.
MODELLO 2.
Per questo modello si deve considerare la tensione di soglia del diodo Vf=0.7, in corrispondenza della quale avviene il passaggio dall’interdizione alla conduzione. Per Vinf, il diodo non conduce, quindi si comporta come un interruttore aperto, per cui Vout=0.
Per Vin>
MODELLO 3.
Anche per questo modello si considera la tensione di soglia per il passaggio dall’interdizione alla conduzione. In più, durante la conduzione si tiene conto della pendenza della curva caratteristica, considerando la resistenza Rf.
Per Vin
Quindi VoutM=4.1V
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