Diodo
Il diodo è un componente elettronico resistivo non lineare a due terminali (dipolo), la cui funzione ideale è quella di permettere il flusso di corrente elettrica in una direzione e di bloccarla nell'altra, la qual cosa viene realizzata ponendo dei vincoli alla libertà di movimento e di direzione dei portatori di carica.Il simbolo circuitale del diodo esprime chiaramente questa funzione: il triangolo indica la direzione che permette il flusso di corrente elettrica considerato convenzionalmente positivo (dal polo negativo a quello positivo), mentre la sbarra ne indica il blocco.
= Diodo Ideale =
La caratteristica tensione-corrente di un diodo ideale potrebbe essere approssimata con quella di un dispositivo resistivo lineare a tratti, operante in due regioni distinte e separate. In una di queste regioni, al di sotto di una data differenza di potenziale tra i due terminali, il diodo ideale può essere pensato come una sorta di circuito aperto, o meglio ancora come un resistore dotato di resistenza infinita, mentre al di sopra di questa il diodo ideale inizierà a permettere il flusso della corrente elettrica, e potrà essere considerato come una sorta di cortocircuito, quindi come un resistore dotato di resistenza nulla.
La figura precedente mostra a confronto le caratteristiche di un diodo ideale ipoteticamente realizzato tramite un dispositivo a semiconduttore, chiamato diodo a giunzione, a sinistra ed una sua approssimazione lineare a tratti a destra.
Quando la differenza di potenziale ai capi del diodo ideale è maggiore di 0 (cioé quando l'intensità di corrente fluisce nel verso convenzionalmente positivo, dal polo negativo a quello positivo), questo è detto essere polarizzato in diretta, mentre quando la differenza di potenziale è minore di 0, questo è detto essere polarizzato in inversa.
= Diodo a giunzione =
Articolo principale: Diodo a giunzione
I diodi a giunzione p-n sono realizzati con cristalli di silicio e la loro caratteristica tensione corrente è approssimabile tramite l'equazione del diodo ideale di Shockley. Essi vengono costruiti per presentare una perdita di potenziale pari a circa 0,7 V a temperatura ambiente quando polarizzati in diretta, per cui viene detto che la loro tensione di lavoro è pari appunto a 0,7 V. In corrispondenza della tensione di lavoro, vi è ovviamente un'unica intensità di corrente di lavoro, il che implica che il diodo deve essere correttamente dimensionato quando utilizzato nei circuiti elettronici, per far sì che l'intensità di corrente ai capi del dispositivo non superi mai la massima intensità di corrente prevista per quello specifico diodo, parametro spesso denominato intensità di corrente nominale.
I 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 presentano una piccolissima corrente di perdita, in genere dell'ordine del miliardesimo di Ampere, che rimane costante con l'aumentare della tensione inversa fino ad un certo valore (detto tensione di Zener Vzk, che può andare da alcuni volt ad alcune decine di volt), oltre il quale tale corrente aumenta molto rapidamente: tale regime di funzionamento, detto regime di valanga per il modo di generazione degli elettroni di conduzione all'interno del diodo, non è dannoso per il componente finchè la potenza dissipata rimane nei limiti tollerati: i diodi Zener per esempio sono progettati espressamente per funzionare in regime di valanga. Tuttavia, vista la caratteristica molto ripida, il funzionamento in valanga nei normali diodi è molto pericoloso e porta in genere alla rottura del componente.
La tensione di lavoro dei diodi non è sempre pari a circa 0,7 V a temperatura ambiente, come nella maggior parte dei diodi a giunzione p-n, ma può variare dai 0,2 V del diodo Schottky o dei vecchi diodi al germanio, agli 0,5V dei diodi ad arseniuro di gallio ai 4V dei diodi LED azzurri.
| Table of contents |
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2 Diodo varicap 3 Diodo Schottky 4 Diodo Zener 5 Diodo LED 6 Diodo Laser 7 Diodo tunnel 8 Diodi a tempo di transito 9 Fotodiodo |
Durante la polarizzazione inversa, si accumula carica elettrica ai due lati della zona di giunzione, in cui si crea un forte campo elettrico dando origine ad una certa capacità parassita: in pratica il diodo si comporta come se fosse in parallelo ad un piccolo condensatore. La particolarità che rende interessante questa piccola capacità del diodo è che essa diminuisce con l'aumentare della tensione inversa.
I diodi varicap sono studiati appositamente per sfruttare questo fenomeno e si comportano in tutto come dei condensatori variabili controllati in tensione: la capacità massima è di circa 500 pF nei modeli maggiori, ma può scendere fino a 1pF. La legge di dipendenza capacità -tensione dei diodi varicap non è lineare, ma si linearizza in combinazione con un induttore in un circuito LC come quello qui a lato, rendendo la frequenza di risonanza del circuito proporzionale alla tensione di controllo Vc.
Le applicazioni dei diodi varicap sono in generale negli stadi di sintonia dei ricevitori radio e negli oscillatori controllati in tensione (VCO).
Nel diodo Schottky la barriera di potenziale non si crea fra due zone di semiconduttore drogate diversamente ma fra un metallo e il semiconduttore: il vantaggio di questa struttura è che si elimina parte della zona svuotata intrinseca che in questi diodi è molto più sottile del normale. Questo permette ai diodi Schottky di commutare (passare dallo stato di conduzione a quello di interdizione e viceversa) molto rapidamente, riuscendo a raddrizzare tensioni alternate fino a frequenze di oltre 300 MHz.
Il diodo Zener è costruito appositamente per sfruttare il funzionamento in valanga del diodo.Diodo PIN
La struttura del diodo PIN presenta una regione non drogata o con drogaggio molto debole, detta regione intrinseca I interposta fra le due zone P ed N, da cui il nome: questo conferisce al diodo una capacità inversa molto piccola e quasi insensibile alla tensione inversa, una certa resistenza al passaggio di corrente diretta (non è più possibile considerare il diodo in conduzione come un cortocircuito perfetto) e una tensione di Zener molto elevata: questo tipo di diodi si usano in circuiti ad alte tensioni, oppure negli apparati radio come interruttori elettronici controllati in tensione.
Diodo varicap
Diodo Schottky
Diodo Zener
In questo stato la tensione ai capi del diodo rimane 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 possibile insensibile alla corrente di valanga. Tuttavia, per quanto lieve, la dipendenza dalla corrente è sempre 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 polarizzazione e stabilizzazione di alimentatori e non come campioni di tensione.
| Colore | Tensione diretta |
| Infrarosso | 1,3V |
| Rosso | 1,7V |
| Arancio | 2,0V |
| Verde | 2,5V |
| Azzurro | 4,0V |
Questo viene ottenuto con una strutura del diodo a sandwich con tre zone drogate in modo diverso (n - p - p+) che presentano anche un diverso indice di rifrazione ottico: in pratica, le zone di confine n-p e p-p+ si comportano come due specchi che riflettono la luce emessa nel diodo e la confinano al suo interno. In questo modo i fotoni in viaggio nel diodo stimolano gli elettroni e le lacune negli atomi di semiconduttore a ricombinarsi emettendo un altro fotone con la stessa lunghezza d'onda e la stessa fase di quello incidente, cioè stimolano una emissione coerente.
Normalmente i diodi laser sono realizzati in arseniuro di gallio o in arseniuro di gallio e alluminio, per ottenere una differenza di indici di rifrazione fra le tre zone che sia il più possibile alta. L'emissione laser si instaura polarizzando il diodo portandolo in conduzione diretta, e solo quando si oltrepassa una corrente di soglia variabile a seconda dei modelli dai 20 ai 30 mA.
In questi diodi il drogaggio dei due semiconduttori p-n è tanto forte da farli degenerare in due conduttori, separati da una barriera di potenziale estremamente alta e stretta: in queste condizioni alcuni elettroni però riescono ugualmente a passare, attraverso il fenomeno quantistico dell'effetto tunnel, quando il dispositivo è polarizzato con una tensione diretta, ma ancora insufficiente a portare il diodo in regime di conduzione classica: aumentando la tensione, la corrente "tunnel" diminuisce fino ad un minimo, oltre il quale subentra il meccanismo di conduzione termica del diodo normale e la corrente riprende a salire.
Questo tratto di caratteristica a pendenza negativa permette al diodo di trasferire energia ai segnali che lo attraversano: tipici impieghi dei diodi tunnel sono nel campo delle microonde da 30 a 300GHz in circuiti a bassa potenza come oscillatori locali e PLL a microonde.
Il suo uso principale è nella rivelazione di piccoli segnali, o come miscelatore.
Sono anche detti TED (Transfer Electron Devices) perchè il loro funzionamento si basa sul trasferimento intermittente di pacchetti di elettroni da un capo all'altro della struttura, sfruttando i campi elettrici fra regioni drogate che al passaggio di elettroni generano un effetto valanga transitorio che interrompe la conduzione: in questo modo i diodi Gunn possono generare segnali a microonde molto potenti nella gamma da 1GHz a 100GHz. La caratteristica corrente-tensione è analoga a quella dei diodi ad effetto tunnel e presenta una zona di resistenza negativa a bassa tensione in polarizzazione diretta.
Il loro impiego principale è negli allarmi volumetrici a microonde per abitazioni e negozi, ma sono usati anche nei sistemi radar e negli apparati di misure per microonde.
Questi diodi riescono a superare le limitazioni in frequenza degli IMPATT normali arrivando a generare frequenze fino a 1000GHz, al limite dello spettro infrarosso.
Grazie alla minore rumorosità e alla maggiore stabilità della frequenza generata, i BARITT sono usati in oscillatori locali e rivelatori Doppler per microonde.
Lo scopo dei fotodiodi è di rivelare la radiazione luminosa (visibile o infrarossa) che colpisce il corpo del diodo stesso. La struttura interna di un fotodiodo è molto simile a quella dei diodi PIN: la zona intrinseca è progettata per reagire alla luce generando una coppia di portatori (un elettrone e una lacuna) che contribuiscono al passaggio di corrente attraverso il diodo. Si usano in polarizzazione inversa: in questa condizione, la corrente che attraversa il diodo è dovuta quasi esclusivamente alla luce incidente, ed è proporzionale all'intensità luminosa.
=Superdiodo=
A differenza dei precedenti, questo non è un componente semplice ma un circuito composto da un diodo e da un amplificatore operazionale: in pratica l'operazionale amplifica lo stato di conduzione del diodo. Il circuito nel suo insieme si comporta quindi come un diodo ideale con tensione di polarizzazione diretta di 0 volt.
Questo circuito viene usato nei raddrizzatori di precisione, nei circuiti per misure elettriche e in quei casi dove il segnale da raddrizzare ha una ampiezza minore degli 0,7 volt che rappresentano la soglia di conduzione dei diodi normali. Non viene usato negli apparecchi radio però, per i limiti degli amplificatori operazionali alle alte frequenze.
Diodo Laser
Come i diodi LED; anche i diodi laser emettono luce tramite la ricombinazione di elettroni e lacune nella zona di barriera del diodo: la differenza fondamentale è che questa emissione è stimolata dalla luce stessa, e che la luce emessa è coerente.Diodo tunnel
Diodo inverso
In questo particolare diodo tunnel uno dei due semiconduttori è meno drogato e si trova al limite del caso degenere: questo fa sì che il diodo inverso (o back diode) si comporti come un normale diodo se polarizzato direttamente, ma conduca anche se polarizzato inversamente; in effetti il diodo inverso (da qui il nome) conduce molto meglio in polarizzazione inversa che in polarizzazione diretta.Diodi a tempo di transito
Diodo Gunn
Questi dispositivi sono chiamati diodi impropriamente, perchè non sono basati sull'effetto barriera e non hanno la struttura p-n dei diodi, ma sono costituiti da tre zone con lo stesso drogaggio a varie intensità (n+ - n - n+); sono costruiti su fosfuro di indio o arseniuro di gallio.Diodo IMPATT
IMPATT è l'acronimo di IMPact ionization Avalanche Transit Time. Questo diodo ha una struttura complessa (n+ - p - i - p+) e, come dice il nome, lavora in polarizzazione inversa sfruttando l'effetto valanga. Più precisamente viene polarizato molto vicino alla sua tensione di Zener, solitamente di un centinaio di volt, e racchiuso in una cavità risonante nella gamma delle microonde:l'inizio dell'effetto valanga nel diodo causa un impulso radio che viene riflesso nella cavità e modula il successivo passaggio di cariche attraverso il diodo. Il movimento disordinato dei portatori nell'effetto valanga genera un rumore di fondo molto alto che si somma al segnale utile, limitando il campo di utilizzazione alle sole sorgenti a microonde di potenza nella gamma fino a 300GHz, con un rendimento del 30% a 10GHz che decresce con la frequenza, in cui peraltro gli IMPATT si comportano egregiamente.
Diodo TRAPATT
TRAPATT è l'acronimo di TRApped Plasma Avalanche Transit Time.
Sono diodi IMPATT particolari, in cui la cavità risonante è ricavata direttamente nel diodo: i campi eletromagnetici interni alla regione di valanga sono perciò tanto intensi da far parlare di un plasma di elettroni e lacune all'interno della regione intrinseca.Diodo BARITT
BARITT è l'acronimo di BARrier Injection Transit Time. E' un derivato del diodo IMPATT, di struttura (p+ - n - n+ - n - p+), che offre una minore efficienza e potenza, ma anche un minor livello di rumore generato, poichè il suo funzionamento si basa sul tempo di transito dei portatori di carica attraverso una barriera e non sull'effetto valanga: il diodo BARITT lavora in polarizzazione diretta.Fotodiodo
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