dìodo

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Definizione

Sm. [sec. XX; dal greco díodos, passaggio]. Componente elettronico a due terminali attraverso cui la conduzione è unidirezionale, cioè la corrente scorre sotto una sola direzione del campo elettrico applicato. Gli impieghi del diodo sono svariati e dipendono dalla forma della curva caratteristica tensione-corrente e del tratto operativo della curva stessa.

Tipologia: diodi raddrizzatori

Sono costituiti da un piccolo cristallo di materiale semiconduttore, normalmente una piastrina di silicio o di germanio (con dimensioni dell'ordine di 0,2×1×1 mm), di cui una parte è drogata positivamente (regione p) e l'altra negativamente (regione n). Le due regioni a drogaggio opposto determinano una giunzione tra le cariche positive e quelle negative, detta giunzione pn. Per comprendere il funzionamento del diodo raddrizzatore è opportuno analizzare la distribuzione delle cariche nella prossimità della giunzione. Il contatto tra i semiconduttori a drogaggio opposto origina la diffusione dei trasportatori di carica da un lato all'altro della giunzione. Viene pertanto a originarsi ai lati della giunzione uno strato di impoverimento dei trasportatori di carica di maggioranza (vale a dire gli elettroni nel semiconduttore n e le lacune nel semiconduttore p); ne segue che il lato p esibisce un eccesso di carica negativa e quello n un eccesso di carica positiva. Pertanto si viene a creare ai lati della giunzione una barriera di potenziale Φ che interrompe il processo di diffusione nel momento (pressoché istantaneo) in cui si accumula nello strato di impoverimento del semiconduttore n una carica positiva tale da respingere l'ulteriore diffusione delle lacune dalla zona p e, analogamente, una carica negativa nello strato di impoverimento del semiconduttore p sufficientemente elevata da respingere gli elettroni provenienti dalla zona n. In altri termini, la barriera di potenziale Φ ostacola il flusso dei portatori di maggioranza fino a eguagliare quello dei trasportatori di minoranza non influenzato dalla barriera stessa, in modo che la corrente totale attraverso la giunzione risulta nulla nelle condizioni di riposo, Ir=IM+Im . Consideriamo ora di applicare alla giunzione una tensione esterna V con la stessa polarità della barriera di potenziale Φ. Ne segue che V si addiziona a Φ aumentando la barriera di potenziale al valore di Φ+V. Ciò ostacola ulteriormente il flusso dei trasportatori di maggioranza mentre resta costante quello dei trasportatori di minoranza non influenzati dalla barriera; pertanto in queste condizioni IM cade praticamente a zero e il diodo si dice interdetto: IM<<Im e nel diodo stesso circola solamente una debole corrente inversa Ii=Im-IM=Im. Quando viceversa la polarità della tensione applicata V è opposta a quella della barriera, l'altezza di quest'ultima decresce al valore Φ-V, permettendo a un elevato numero di portatori di maggioranza di diffondere attraverso la giunzione, mentre rimane ancora pressoché invariato quello dei trasportatori di minoranza. Pertanto in queste condizioni, in cui il diodo si dice in conduzione diretta, si ha che IM>>Im e nel diodo stesso circola un'elevata corrente diretta Id=IM-Im=IM, che aumenta progressivamente al crescere di V. L'analisi quantitativa del processo di conduzione alla giunzione pn permette di ricavare la relazione che intercorre tra tensione applicata e corrente, vale a dire la curva caratteristica del diodo che ha un andamento generico esponenziale. Si può notare quindi, per esempio, che in un diodo al germanio la tensione alla quale si verifica la conduzione diretta è inferiore a quella relativa a un diodo al silicio mentre la corrente inversa è superiore. Queste differenze sono da porsi in relazione alla configurazione elettronica dei due semiconduttori che vede per il germanio una banda di energia proibita inferiore a quella del silicio. Secondo il principio di rettificazione di un diodo a giunzione pn, quando l'onda del segnalesinusoidale (per esempio, la tensione di rete) applicato è positiva il diodo è polarizzato direttamente e permette il flusso di corrente; al contrario, quando l'onda diviene negativa, il diodo risulta interdetto e la corrente cade a zero. Pertanto il diodo trasforma il segnale sinusoidale, che varia intorno a un valore medio pari a zero, in un segnale pulsante che varia intorno a un valore medio diverso da zero e positivo: da qui l'azione rettificante. Poiché il diodo conduce solo unidirezionalmente, per raddrizzare entrambe le semionde della tensione di rete occorre disporre di due o più diodi in combinazione adeguata. La più comune prevede una sequenza a ponte con due coppie di diodi in parallelo.

Tipologia: diodi Zener

I diodi Zener sono simili ai diodi raddrizzatori, ma progettati per lavorare nella regione inversa, dove, per effetto dell'elevato campo elettrico applicato, può verificarsi una forte accelerazione degli elettroni con conseguenti processi di rottura a catena che portano a elevate correnti inverse anche per piccoli incrementi della tensione applicata. Per tale proprietà, i diodi Zener vengono usati come stabilizzatori di tensione negli alimentatori o come standard di tensione di riferimento in dispositivi di controllo automatico. Il potenziale a cui si verifica il processo a catena, detto potenziale Zener, Vz, dipende dalle caratteristiche costruttive del diodo e può variare anche di ordini di grandezza. Sono così disponibili diodi Zener con tensioni operative variabili da pochi volt fino a qualche centinaia di volt e con potenze dissipabili comprese tra 100 mW e 50 mW.

Tipologia: diodi tunnel

I diodi tunnel sono diodi a giunzione pn in cui il drogaggio è così elevato (parti per mille invece che per milione come in un diodo normale) da ridurre l'estensione della barriera di potenziale a poche centinaia di Å. In tali condizioni può risultare possibile per un elettrone “saltare” dalla banda di conduzione del lato n a quella di valenza del lato p, tramite un processo di tunneling. Questa transizione si verifica senza variazioni di energia ed è legata alla natura ondulatoria dell'elettrone. La corrente che ne risulta dipende dall'ampiezza della giunzione, dal numero degli elettroni in grado di “saltarla” e dal numero di livelli vuoti in cui tali elettroni possono trasferirsi; generalmente la corrente raggiunge il valore massimo quando la banda di conduzione della regione n si trova allo stesso livello della banda di valenza della regione p, e questo si verifica per tensioni dirette intorno a 0,1V. La caratteristica del diodo tunnel consiste nel mostrare un intervallo a conduttanza differenziale negativo. Questa proprietà, unita alla rapidità inerente al meccanismo di conduzione che permette tempi di commutazione dell'ordine dei nanosecondi, giustifica l'impiego del diodo tunnel negli elaboratori elettronici e in apparecchiature per la generazione di frequenze elevate.

Tipologia: diodi controllati

Il diodo controllato al silicio, comunemente designato con la sigla SCR (Silicon Controlled Rectifier), è un componente di potenza a semiconduttore a quattro regioni di drogaggio, alternativamente di tipo p e di tipo n, di largo impiego nei comandi di elettronica industriale. È l'analogo a stato solido del thyratron e, come questo, possiede due stati elettrici: lo stato di conduzione, in cui si comporta come un normale diodo pn, e lo stato di blocco, nel quale non conduce corrente. La transizione da uno stato all'altro è controllata dall'elettrodo G, detto porta (gate): è sufficiente applicare a questo elettrodo un breve impulso positivo per attivare (o accendere) il diodo controllato con una corrente risultante determinata unicamente dal carico esterno in quanto la caduta di tensione rimane di soli 1,5-2,0V anche sotto forti correnti. L'elettrodo di controllo è inefficiente nel caso della transizione inversa; pertanto il blocco (o spegnimento, corrente circolante annullata) del diodo controllato avviene portando la tensione anodica a zero o a valori negativi. Alimentato con tensione di rete e acceso in sincronismo con questa, il diodo controllato eroga al carico una potenza che può essere regolata con continuità variando l'istante di accensione. Poiché un diodo controllato può essere acceso soltanto sotto polarizzazione diretta, per controllare entrambe le semionde della tensione di rete occorre disporre di due diodi in parallelo con polarità invertite o adottare configurazioni a ponte. I diodi controllati possono raggiungere tensioni di lavoro di un migliaio di volt ed erogare potenze di parecchie decine di kW. Per queste caratteristiche, i diodi controllati sono impiegati nei comandi dei carichi resistivi (forni) e induttivi (controllo di motori elettrici), negli alimentatori stabilizzati di potenza, negli invertitori e convertitori statici (vedi anche triac e diac). Derivati dai diodi controllati, sono da ricordare: i diodi Schottky o ad elettroni caldi, costituiti da una giunzione metallo-semiconduttore e caratterizzati da risposte a bassa corrente molto rapide; i fotodiodi, costituiti da una struttura planare pn che, sotto polarizzazioni inverse, sono in grado di rilevare radiazioni nel visibile e nel vicino infrarosso; i diodi emettitori di luce o LED, costituiti da giunzioni pn ad arseniuro o fosfuro di gallio che, sotto polarizzazione diretta, emettono una radiazione per effetto della ricombinazione diretta dei portatori di carica iniettati nella giunzione stessa.

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