Diodo

Da Hacknowledge.

Il diodo è uno dei componenti più usati in elettronica (insieme ai transistor) per le sue innumerevoli applicazioni circuitali. Le sue proprietà consentono di poter consentire o bloccare il flusso di corrente in un ramo di circuito a seconda del presentarsi o meno di certe condizioni di tensione o corrente, oppure di modificare le forme d'onda, modificare le proprietà del circuito e molto altro.

Simbolo circuitale del diodo e struttura dei diodi PN e PiN

Un diodo PN è un bipolo che presenta due terminali, anodo e catodo. La corrente $i D$ che scorre nel diodo è considerata positiva quando scorre dall'anodo al catodo, mentre la tensione sul dispositivo $v D$ è considerata positiva all'anodo e negativa al catodo. Un diodo PiN presenta invece, tra l'anodo e il catodo, una regione neutra relativamente spessa (non drogata o con drogaggio molto debole), ed è usato in condizioni in cui le tensioni sono tali che distruggerebbero un diodo PN normale.

Curva caratteristica corrente-tensione di un diodo. Nel primo quadrante è riportata la condizione di polarizzazione diretta, nel terzo quella di polarizzazione inversa

Indice

1 Polarizzazione diretta e inversa
2 Modello del diodo lineare
3 Analisi con retta di carico
4 Circuiti raddrizzatori
5 Modifica delle forme d'onda
6 Circuiti regolatori di tensione
7 Modello a piccolo segnale del diodo
8 Equazione di Shockley
- 8.1 Approssimazione lineare
9 Tipi di diodi

[modifica] Polarizzazione diretta e inversa

Nel caso in cui la tensione sul diodo è positiva e la corrente sul diodo è relativamente elevata, si dice che il diodo opera in polarizzazione diretta. Se invece la tensione è negativa e la corrente che scorre nel dispositivo è molto bassa, si dice che il diodo opera in polarizzazione inversa. Quando la tensione sul diodo è negativa ed è molto grande in valore assoluto, si dice che il diodo opera in condizioni di polarizzazione inversa di breakdown (di rottura). I diodi che operano in questa regione a temperatura relativamente elevate possono essere danneggiati in modo irreversibile. Tuttavia, se la temperatura non è eccessiva queste condizioni non necessariamente sono distruttive per il diodo. Ci sono anzi molti modelli che operano in queste condizioni.

In genere le caratteristiche corrente-tensione di un diodo sono riportate sul datasheet (ed è bene che vengano lette prima di collegare un diodo in un circuito). Ad esempio, l'1N4148 (un tipo di diodo ad alto rendimento molto usato) può condurre una corrente di 1 mA con una tensione ai capi di 0.6-0.7 V, mentre invece, come è visibile dal grafico, al di là di questo valore di tensione un piccolo incremento della tensione $v D$ provoca un grande incremento della corrente $i D$ che circola nel diodo (questa caratteristica riflette il comportamento non lineare del dispositivo). La tensione di breakdown riportata su datasheet in questo caso è di -100 V (il che vuol dire che valori di tensione inferiori a questo possono danneggiare irreversibilmente il diodo). Ci sono anche modelli di diodi (diodi Zener) progettati apposta per lavorare con tensioni vicine a quelle di breakdown.

[modifica] Modello del diodo lineare

Nell'analisi di un circuito con diodi il modello del diodo lineare è quello che consente di snellire in maniera considerevole i calcoli, anche se parte dal presupposto che il diodo sia ideale. Tale modello considera il diodo come un cortocircuito ( $v D = 0, i D > 0$ ) in regione diretta (diodo acceso), e come un circuito aperto ( $i D = 0, v D < 0$ ) in regione inversa (diodo spento).

L'analisi di un circuito con diodi lineari si basa sul presupposto che non è possibile sapere in un certo momento se un diodo è acceso o spento. È quindi necessario fare delle ipotesi, risolvere il circuito in base a queste ipotesi e in seguito controllare se le supposizioni sono verificate.

Ad esempio, se supponiamo che un diodo sia acceso dovremmo calcolare la corrente $i D$ che scorre in esso. Se risolvendo il circuito troviamo un valore di $i D > 0$ , allora la supposizione fatta è vera, altrimenti bisogna rivederla. Allo stesso tempo, se supponiamo che un diodo sia spento dovremmo calcolare la tensione $v D$ ai suoi capi. Se risolvendo il circuito otteniamo $v D > 0$ allora l'ipotesi è verificata, altrimenti va rivista:

[modifica] Analisi con retta di carico

Un altro metodo per l'analisi delle caratteristiche di un diodo, più accurato del modello lineare ma meno snello, è l'analisi grafica tramite retta di carico. Per effettuare tale analisi si considera un circuito come il seguente:

Circuito usato per l'analisi del diodo con retta di carico

Applicando il principio di Kirchhoff alla maglia, avremo

V S S = v D + R i D

Dove $V S S$ e R sono grandezze note all'interno del circuito, mentre la tensione ai capi del dispositivo e la corrente che scorre in esso sono le nostre incognite. Possiamo esprimere la corrente come

$i_D = {{V_{SS} - v_D} \over R}$

In questo modo abbiamo espresso la corrente che circola nel diodo in funzione della tensione ai suoi capi. Per ottenere i valori di queste grandezze si ricorre al metodo grafico, considerando l'equazione di sopra come una retta sul piano i-v e intersecandola con la curva caratteristica i-v del diodo vista prima. In questo modo otteniamo il punto di lavoro del dispositivo, ovvero i suoi valori di corrente e tensione:

Qualsiasi circuito contenente un elemento non lineare può essere analizzato tramite il metodo della retta di carico, riportandosi in condizioni simili a quelle del circuito illustrato sopra:

Si risolve la parte lineare del circuito applicando il teorema di Thévenin e calcolando il circuito equivalente (che consiste in un generatore di tensione con una resistenza in serie)
Si risolve l'elemento non lineare applicando il metodo della retta di carico
Si risolve la parte rimanente del circuito calcolando tensioni e correnti

[modifica] Circuiti raddrizzatori

Un'applicazione molto importante dei diodi è all'interno dei circuiti raddrizzatori, circuiti il cui compito è di convertire potenza in AC in DC. Tali circuiti sono alla base degli alimentatori, dei circuiti per la carica delle batterie e dei convertitori AC/DC. Un circuito raddrizzatore a semionda consiste in una sorgente di tensione sinusoidale connessa a un diodo e un carico resistivo:

Il diodo si attiva per $v s > 0$ , consentendo il passaggio della corrente, mentre rimane spento per valori di tensione negativi. Sulla resistenza si avrà quindi una tensione di uscita $v o = v s per v s > 0$ , e $v_o=0 \mbox{ per } v_s \leq 0$ .

Mettendo in parallelo alla resistenza di carico un condensatore a elevata capacità è possibile trasformare un raddrizzatore a semionda in un convertitore AC/DC. In questo caso, il condensatore si carica nella fase di salita di $v s$ . Nella fase di discesa di $v s$ il diodo si disattiva, in quanto la tensione ai suoi capi è negativa, ma il condensatore rilascia gradualmente (e linearmente) la carica sul carico, garantendo una differenza di potenziale $v o$ non nulla.

[modifica] Modifica delle forme d'onda

Grazie alla proprietà dei diodi di potersi comportare come 'interruttori di corrente' in presenza di particolari condizioni di tensione, questi dispositivi sono largamente utilizzati per creare circuiti in grado di modificare forme d'onda. L'uso tipico di tali circuiti è, ad esempio, il caso di un oscillatore, che di suo è in grado di generare onde quadre. Un'onda quadra può essere manipolata da un integratore in modo da ottenere un'onda triangolare, che passando per circuiti appositi con diodi può trasformarsi in un'onda sinusoidale. Ecco un altro esempio di circuito per la modifica delle forme d'onda:

In questo caso, il diodo A è attivo solo per valori di tensione $v i n > 6 V$ , mentre B è attivo solo per valori di $v i n < - 9 V$ .

Per valori della tensione di ingresso compresi tra -9 e 6, entrambi i diodi sono spenti e, non scorrendo quindi corrente sulla resistenza, $v o = v i n$ . Per valori di $v i n > 6$ il diodo A è acceso e B è spento, e in uscita viene segnalata una tensione $v o = 6$ , mentre invece, per $v i n < - 9$ , A è spento e B è acceso, e la tensione di uscita è pari a -9:

[modifica] Circuiti regolatori di tensione

I circuiti raddrizzatori sono in grado di fornire una tensione senza grossi sbalzi al carico, ma non una tensione strettamente costante (la tensione in uscita è soggetta a piccole variazioni, dette tensioni di ripple). Quando si ha bisogno di fornire una tensione costante al carico si ricorre ai circuiti regolatori di tensione. L'efficacia di questi circuiti si misura attraverso due parametri:

La regolazione del generatore (SR), che indica di quanto cambia la tensione sul carico per effetto di $V S S$ : $SR = {{\Delta V_{load}} \over {\Delta V_{SS}}} \times 100%$
La regolazione del carico (LR), che indica di quanto cambia la tensione sul carico per effetto della tensione sul carico: $LR = {{V_{no-load} - V_{load}} \over {V_{load}}} \times 100%$

Quanto più bassi sono questi valori, tanto più il circuito è efficiente (in regime ideale sono entrambi nulli). In un circuito regolatore è molto frequente l'uso di diodi Zener, che come accennato in precedenza sono diodi progettati per lavorare con tensioni vicine a quelle di breakdown. Un esempio di circuito di regolazione con diodi Zener è il seguente:

Questo circuito regolatore produce una tensione in uscita che è uguale alla tensione di breakdown del diodo. La resistenza R serve a limitare il valore della corrente $i D$ nel diodo, e quindi per evitare danni irreversibili allo stesso. Procedendo con l'analisi del circuito tramite retta di carico otteniamo

V S S + v D + R i D = 0

da cui

$i_D = - {{V_{SS} + v_D} \over R}$

Se abbiamo una tensione di ingresso $V S S$ che varia tra 15 e 20 V, con un circuito del genere e una resistenza $R = 1 k Ω$ potremo misurare in uscita una tensione che varia tra 10 e 10.5 V. Calcoliamo quindi la regolazione del generatore nel circuito:

$SR = {{\Delta V_{load}} \over {\Delta V_{SS}}} \times 100% = {0.5 \over 5} \times 100% = 10%$

In figura sono riportate le intersezioni della caratteristica del diodo con le rette di carico per la tensione di ingresso pari a 15 V e pari a 20 V (range nel quale opera il circuito), e il corrispettivo range di tensione sui morsetti in uscita.

[modifica] Modello a piccolo segnale del diodo

Curva caratteristica del diodo per lo studio del modello a piccolo segnale

Un modello del diodo che si scosta leggermente da quello ideale è quello a piccolo segnale. Nel modello a piccolo segnale, un diodo all'interno di un circuito con tensioni non elevate e a bassa frequenza può essere visto come resistenza. Un piccolo segnale AC applicato al diodo polarizzato fa oscillare il punto di lavoro del diodo intorno a un punto Q. Se il segnale AC è sufficientemente piccolo, il punto Q si muove lungo una linea retta, che è la tangente alla curva caratteristica nel diodo nel punto Q. Le variazioni di corrente e tensione si possono quindi esprimere, per piccoli segnali, come

$\Delta i_D = \left( {di_D \over dv_D} \right) \Delta v_D$

Il coefficiente angolare della retta (ovvero la derivata della corrente nel diodo calcolata rispetto alla tensione nel punto Q) ha le dimensioni di una conduttanza (inverso della resistenza). Il suo inverso fornisce la resistenza dinamica del diodo calcolata nel punto Q:

$r_d = \left[ \left( {di_D \over dv_D} \right)_{v_D=v_0} \right] ^{-1} \Longrightarrow \Delta i_D = i_D - i_0 = { \Delta v_D \over r_d}$

[modifica] Equazione di Shockley

L'equazione di Shockley è un'equazione non lineare che lega la corrente che scorre nel diodo alla tensione ai suoi capi. La sua espressione è la seguente:

$i_D = I_S \left[ exp \left( {v_D \over {nV_T}} \right) -1 \right]$

dove

$I S$ è la corrente di saturazione del diodo ( $˜10 14 A$ )
$n$ è il coefficiente di emissione del diodo (compreso tra 1 e 2, generalmente riportato sui datasheet)
$V T$ è la tensione termica che a 300K vale 26mV. Tale tensione è calcolata come $V_T = {kT \over q}$
dove k è la costante di Boltzmann, T la temperatura a cui è calcolata e q la carica dell'elettrone.

[modifica] Approssimazione lineare

In un diodo la corrente si può considerare come la somma di una componente statica e una alternata (tensione-dipendente):

i D = i 0 + i D (v D)

Poiché tale quantità, nel caso di un diodo, non è lineare ed è data dall'equazione di Shockley, per lo studio si ricorre ad uno sviluppo in serie di Taylor di primo ordine, trascurando le espressioni di dipendenza temporale, in modo da rendere lineare l'espressione della corrente in funzione della tensione per piccoli segnali:

$i_D = i_0 + \left( {{di_D} \over {dv_D}} \right) _{v_D=v_0} \Delta v_D$

per l'equazione di Shockley, si ha

$\left( {{di_D} \over {dv_D}} \right) _{v_D=v_0} = {1 \over {nV_T}} I_S \mbox{ } exp \left( {v_0 \over {nV_T}} \right)$

Approssimando, per l'equazione di Shockley possiamo scrivere

$i_D \sim I_S \mbox{ } exp \left( {v_D \over {nV_T}} \right)$

che, sostituito nell'equazione di sopra, fornisce un nuovo valore (più immediato da calcolare) per la resistenza dinamica del diodo calcolata nel punto Q:

$r_d = \left( {di_D \over dv_D} \right) _{v_D=v_0} = {i_0 \over {nV_T}}$

dove $i 0$ , come visto in precedenza, è il valore della corrente calcolato in Q.

[modifica] Tipi di diodi

[modifica] Diodo a giunzione PN

Nella maggior parte dei casi esaminati finora, salvo diversa specifica, abbiamo preso in esame diodi PN. Tali diodi sono costituiti da un cristallo di silicio drogato con atomi accettori (p, alta concentrazione di lacune e bassa concentrazione di elettroni) da un lato, e con atomi donatori (n, alta concentrazione di elettroni e bassa concentrazione di lacune) dall'altro. Un diodo polarizzato direttamente consente senza alcuna difficoltà lo scambio di carica da una zona all'altra, permettendo quindi il transito di corrente elettrica. Generalmente i diodi a giunzione PN sono progettati per presentare una perdita di potenziale di circa 0.7 V a temperatura ambiente e polarizzati in diretta.

I diodi a giunzione PN reali hanno una curva caratteristica (data dall'equazione di Shockley) molto simile a quella dei diodi ideali, ma quando vengono polarizzati inversamente, invece di impedire il flusso di corrente, lasciano passare una piccolissima parte di corrente ( $˜10 - 9 A$ ), che rimane costante fino al raggiungimento della tensione di Zener (il valore della tensione di Zener dipende dalle caratteristiche fisiche del diodo, ed è generalmente nell'ordine di qualche decina di volt). Al di là di questo valore la corrente attraverso il diodo aumenta molto rapidamente, portando il diodo in condizioni di regime a valanga, condizioni che possono portare al danneggiamento del dispositivo.

[modifica] Diodo Zener

I diodi Zener, già visti all'interno di questa guida, sono diodi il cui compito è quello di poter lavorare in condizioni vicine a quelle di breakdown.

[modifica] Diodo a emissione di luce (LED)

I LED sono diodi in grado di emettere luce visibile quando sono polarizzati direttamente, e sono estremamente usati come spie su ogni tipo di apparecchiatura elettronica (computer compresi) o come trasmettitori per telecomandi (in questo caso vengono polarizzati con una tensione tale da permettere l'emissione infrarossa). Ultimamente la ricerca nel campo dei LED HL (diodi ad alta luminosità) ha permesso di produrre diodi con luminosità più elevate di quelli normali, adatti anche per l'illuminazione pubblica (con considerevole risparmio, in termini energetici e di durata, rispetto alle tradizionali lampade a incandescenza e anche rispetto a lampade a neon o a sodio). Il colore della luce emessa varia in funzione della tensione diretta $v D$ applicata (per una colorazione rossa il valore di tensione tipico è di 1.8 V, per una colorazione azzurra di 3 V), e l'intensità del segnale luminoso è proporzionale alla corrente diretta $i D$ che li attraversa. Generalmente, la soglia minima per avere della luce percettibile è di 4 mA.

Simili ai LED sono i diodi laser, diodi con 3 zone di drogaggio (n, p e p+) che sfruttano l'indice di rifrazione ottica, diverso nelle 3 zone, per emettere un fascio di fotoni coerente. Questi diodi sono usati nella maggior parte delle applicazioni laser commerciali.

[modifica] Diodo PiN

Un diodo PiN (o diodo di potenza) è un diodo con una tensione di breakdown molto elevata (> 50 V) e in grado di produrre correnti elevate (> 1 A). Per avere queste caratteristiche, un diodo PiN ha, tra la regione drogata p e quella n, una regione di semiconduttore più spessa delle altre due neutra o con drogaggio molto basso che, in linea teorica, si comporta come una resistenza di valore molto elevato che si oppone ad elevati flussi di corrente (in realtà non è così, dato che i due poli del diodo iniettano nella zona neutra una gran quantità di carica, aumentando quindi la sua conduttività e riducendo sensibilmente la resistenza nominale).

Questi diodi vengono usati in circuiti che richiedono tensioni elevate, come alimentatori e trasformatori di grandi dimensioni, circuiti all'interno dei quali i diodi a giunzione PN classici andrebbero facilmente incontro alla rottura.

[modifica] Fotodiodo

Un fotodiodo è usato come sensore ottico all'interno di molti circuiti. Questo tipo di diodo è generalmente usato in polarizzazione inversa ed ha una struttura simile a quella del diodo PiN. Quando una certa lunghezza d'onda colpisce il diodo la zona neutra del diodo produce due cariche di segno opposto, che fanno scorrere corrente all'interno del componente. I materiali più comuni per la realizzazione di un fotodiodo sono il silicio (sensibile ad una lunghezza d'onda da 190 a 1100 nm), il germanio (800-1700 nm) e l'arseniuro di indio-gallio (800-2600 nm). Questi diodi sono usati in tutte le situazioni che richiedono la presenza di un rilevatore ottico che reagisca in presenza di determinati stimoli e lunghezze d'onda.

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