IL DIODO a SEMICONDUTTORE

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1 L atomo Latomo IL DIODO a SEMICONDUTTORE In un atomo il numero di protoni è uguale al numero di elettroni, per cui un punto di vista elettrico l atomo è allo stato neutro perché la carica negativa degli elettroni è uguale e opposta a quella positiva dei protoni. 2 Conduttori Nei conduttori gli elettroni sono abbastanza liberi di muoversi, perché la forza che lega alcuni elettroni al nucleo dell atomo sono deboli per cui se all atomo atomo viene fornita sufficiente energia questi elettroni cominciano a muoversi lasciando l atomo. Esempi: I metalli, acqua non distillata Isolanti Negli isolanti gli elettroni non sono molto liberi di muoversi per cui anche fornendo una energia elevata, non si riesce a spostarli da una parte all altra altra del materiale. Esempi: plastica, gomma, legno, vetro, acqua distillata, ceramica, 3 4

2 Semiconduttori Caratteristiche dei semiconduttori Sono materiali particolari che in certe condizioni si comportano come i conduttori, in altre come gli isolanti. Esempi: Silicio, Germanio (elementi base dei circuiti elettronci) I semiconduttori isono materiali costituiti iti da atomi con 4 elettroni nell'orbita esterna Struttura e comportamento dei semiconduttori Ogni atomo mette in comune un elettrone con l'atomo più vicino per formare un legame stabile. Però già alla temperatura di 25 C qualche elettrone può abbandonare il legame ed essere disponibile per una corrente di conduzione. Basta applicare una piccola tensione al semiconduttore per rilevare una piccola corrente, comunque trascurabile. La resistenza di un semiconduttore diminuisce all'aumentare della temperatura, comportamento inverso a quello dei materiali conduttori. 5 6 Drogaggio dei semiconduttori Drogaggio di tipo N Nell'uso dei semiconduttori si pongono 2 problemi: Migliorare la conduzione; Rendere le caratteristiche i elettriche meno dipendenti dalla temperatura. Questi problemi vengono risolti introducendo atomi diversi nella struttura del semiconduttore (drogaggio) Al semiconduttore, ad es. silicio, si aggiungono g impurità costituite da atomi pentavalenti, cioè con 5 elettroni nello strato esterno ( es. arsenico) Si trova così un elettrone in più che è libero di muoversi e in grado di dar vita ad una corrente elettrica. 7 8

3 Drogaggio di tipo P LAGIUNZIONE P N Al semiconduttore si aggiungono impurità itàcostituite da atomi con 3 elettroni nello strato esterno (es. boro). Il boro non può combinarsi in modo perfetto con il silicio, perchéhaun ha elettronein meno nello strato esterno. In questo caso si determina una mancanza di elettroni, detta lacuna, in grado di catturare elettroni e per questo si assimila ad una carica positiva. Un elettrone catturato da una lacuna determina un'altra lacuna perché lascia vuoto il posto occupato in precedenza. E' come se la lacuna si spostasse in direzione opposta al movimento dell'elettrone. Unendo un semiconduttore drogato N con un semiconduttore drogato P si ottiene una giunzione PN Comportamento della giunzione PN All'atto dell'unione si ha un passaggio di elettroni dal semiconduttore N al semiconduttore P. Dopo pochi istanti, in corrispondenza della giunzione, nella zona P si forma una regione con prevalenza di cariche negative, cioè gli elettroni provenienti dalla zona N. Nel contempo nella zona N si forma una regione con prevalenza di cariche positive dovuta all'assenza degli elettroni diffusi nella zona P della giunzione Caratteristiche della giunzione PN Le suddette regioni, i negativa (nella zona P) e positiva (nella zona N), subito a ridosso della giunzione dei due semiconduttori determinano una zona di sbarramento (ZONA DI SVUOTAMENTO), con ampiezza di acu alcuni micron, co,che impedisce agli altri at elettroni di passare dalla zona N alla zona P (tale zona ha le proprietà di un isolante). Le due regioni così polarizzate, infatti, determinano una barriera di potenziale per gli elettroni i(differenza di potenziale il Ud tra le due regioni di carica opposta). Caratteristiche della giunzione PN In pratica un elettrone della zona N troverà nella zona P uno strato di cariche negative che lo respingeranno. La differenza di potenziale dello strato di sbarramento (Vd) è per il silicio di circa 0,7 Volt

4 Polarizzazione inversa Polarizzazione inversa Se ad una giunzione i PN si applica un generatore di tensione E con il polo positivo (anodo) collegato alla zona N e il polo negativo (catodo) alla zona P si ottiene una polarizzazione inversa. La polarizzazione inversa produce migrazione di elettroni verso l'anodo nella zona N e verso la giunzione nella zona P, cioè si estende la zona di sbarramento e risulta ancora più difficile per un elettrone poter passare da N a P. Poiché héla regione di tipo P è connessa al terminale negativo dell'alimentazione, le lacune nella regione di tipo P vengono spinte lontano dalla giunzione, facendo crescere l'ampiezza della zona svuotata. Lo stesso succede nella zona di tipo N, dove gli elettronivengono spintilontano dalla giunzione a causa dell'azione del terminale positivo dell'alimentazione. Questo aumenta la barriera di potenziale e per questa ragione non passerà corrente attraverso la giunzione (o ne passerà molto poca, detta corrente di saturazione inversa) Polarizzazione diretta IL DIODO Con la polarizzazione diretta (polo positivo su P e negativo su N) su N), le lacune nella regione di tipo P e gli elettroni nella regione di tipo N sono spinti verso la giunzione. Questo riduce l'ampiezza della zona svuotata. Il polo positivo applicato alla regione di tipo P respinge le lacune, mentre il polo negativo applicato alla regione di tipo N respinge gli elettroni. Poiché elettroni e lacune sono spinti verso la giunzione, la distanza tra di loro decresce. Questo abbassa la barriera di potenziale. Aumentando la tensione di polarizzazione, si arriva al punto in cui la zona svuotata diventa così "sottile" che i portatori di carica possono superare la barrieraper effetto tunnel, e la resistenza elettrica si riduce a un valore molto basso. Gli elettroni che superano la barriera alla giunzione entrano nella regione di tipo P (passando da una lacuna all'altra). In tal caso quindi la zona di sbarramento si restringe. Se la tensione del generatore E è maggiore di Vd quest'ultima viene praticamente azzerata e gli elettroni potranno circolare da N a P determinando una corrente di intensità tanto maggiore quanto più E è maggiore di Vd. Il diodo è una giunzione PN che viene utilizzata come componente con due terminali, anodo (P) e catodo (N)

5 Curva caratteristica corrente tensione (I V) del Diodo La curva caratteristica, ti cioè èla relazione corrente tensione può essere rilevata sperimentalmente sia in condizione di polarizzazione diretta che inversa. I dati caratteristici di un diodo sono: corrente massima ammissibile potenza massima dissipabile Dall'analisi della caratteristica si evince che il diodo è un componente non lineare, infatti tale curva non è una retta. Curva caratteristica corrente tensione (I V) del Diodo 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 vengono attraversati dalla Io, la corrente di saturazione inversa, il cui valore è legato all'area del dispositivo ed alla concentrazioni del drogante. Con l'aumentare del modulo della tensione inversa fino ad un certo valore (detto tensione di Zener Vz, come si può notare nel 3 e 4 quadrante della caratteristica del diodo reale a lato), che può andare da alcuni Volt ad alcune decine di Volt, la corrente aumenta in modulo molto rapidamente: tale regime di funzionamento, detto tensione di rottura o di breakdown per il modo di generazione degli elettroni di conduzione all'interno del diodo, non è dannoso per il componente finché la potenza dissipata rimane nei limititollerati: tollerati: i diodi zener per esempio sono progettati espressamente per funzionare in tensione di rottura o tensione di Zener. Tuttavia, vista la caratteristica molto ripida, il funzionamento in breakdown nei normali diodi è molto pericoloso e porta in genere alla rottura del componente Applicazione del diodo a giunzione Viene usato principalmente per convertire tensioni (correnti) alternate in tensioni (correnti) continue. La sua caratteristica di funzionamento consente anche di utilizzarlo per ostruire il passaggio di corrente in certi rami di circuito Raddrizzatore a unasemionda Il segnale d'ingresso, sinusoidale, id viene applicato ad un diodo in serie alla resistenza di carico. Se il catodo è rivolto verso il carico, il diodo consente il passaggio delle sole semionde positive, lasciando a zero il valore della tensione in corrispondenza delle semionde negative

6 Raddrizzatore a doppia semionda Utilizzando un trasformatore t con il secondario dotato t di una presa a metà avvolgimento o anche detto trasformatore a presa centrale, è possibile ottenere due tensioni sfasate di 180º, che possono essere singolarmente raddrizzate per mezzo di due diodi. La tensione totale del secondario del trasformatore, deve essere doppia rispetto a quella necessaria per il raddrizzamento ad una semionda. Raddrizzatore a ponte di Graetz Adottandoquattro diodi disposti in configurazione a ponte di Graetz è possibile ottenere un segnale che è la somma di una semionda positiva più la semionda negativa capovolta (doppia semionda). Questa soluzione, molto usata negli alimentatori, rende molto più semplice il successivo filtraggio e livellamento della tensione fino ad ottenere una corrente continua, non richiedendo peraltro un trasformatore con doppio avvolgimento a presa centrale Raddrizzatore a ponte di Graetz Diodo zener Principale i svantaggio di questo metodo è di avere una caduta di tensione pari a quella di due diodi in serie, quindi anche oltre 2 volt. Nl Nel raddrizzare tensioni molto piccole si ha quindi una perdita e una distorsione eccessive. Una configurazione simile costituita da sei diodi permette di raddrizzare una tensione trifase impiegando tutte e tre le fasi (anche più di tre in un sistema it polifase, usando un numero opportuno di diodi). Il diodo d zener è costruito appositamente t per sfruttare il funzionamento in valanga del diodo. È infatti un diodo costruito secondo caratteristiche particolari per dissipare potenza con utilizzo in zona di "break down". 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, anche se comunque una tensione inversa eccessiva porta il diodo alla rottura. Il motivo dell'elevata l pendenza della dll corrente inversa è dovuta principalmente da due casi: l'effetto valanga e l'effetto Zener

7 Diodo zener Sepolarizzatodirettamente (tensione anodo > tensione catodo), il diodo Zener ha un comportamento analogo al diodo normale (primo quadrante del grafico in figura). Caratteristica ti peculiare del diodo Zener è il suo comportamento quand'è polarizzato inversamente (tensione anodo < tensione catodo) e viene utilizzato in questo modo nella maggior parte delle applicazioni. Quando la tensione ai capi del diodo Zener è compresa tra 0 V e Vz, il componente è interdetto e si comporta come un interruttore aperto. Non appena la tensione applicatagli sale in modulo (cioè decresce) oltre il valore Vz (detto tensione di Zener o tensione di breakdown) si innesca l'effetto valanga, per il quale si ha un forte passaggio di corrente tra i due terminali del dispositivo. Un normale diodo si distruggerebbe; il diodo Zener invece è capace di resistere al forte passaggio di corrente e mantiene ai suoi capi la tensione Vz. 25 Diodo zener Ttt Tuttavia, per quanto lieve, la dipendenza d dalla dll 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. Poiché i diodi zener vengono utilizzati in polarizzazione inversa, si haun effetto capacitivo associatoalla alla zona di svuotamento in prossimità della giunzione, questa capacità detta di transizione varia tra valori trascurabili di qualche nf ed è rilevante per i diodi di elevata potenza in quanto condiziona la massima frequenza di lavoro. Sul corpo del diodo zener è stampata la tensione di lavoro del diodo stesso; la scritta 5V1 equivale ad una tensione di 5.1 Volt, ovviamente in ingresso dovrà essere presente una tensione maggiore rispetto a quella da stabilizzare di almeno 2 3 Volt. 26 Applicazioni del diodo Zener: stabilizzazione di una tensione Per poter creare una tensione stabilizzata con un diodo zener, è sufficiente sempre disporre una resistenza di caduta di valore calcolato tra la tensione in ingresso e il catodo del diodo. Infatti come possiamo notare nello schema a sinistra, la resistenza R1 è collegata alla tensione in ingresso di 12Volt, ed al catodo del diodo zener; l'anodo invece è collegato direttamente a GND. Applicazioni del diodo Zener: stabilizzazione di una tensione Il valore dll della resistenza it R1 va calcolato in base alle nostre esigenze, e cioè in funzione della sua potenza e della tensione di alimentazione; infatti al variare della tensione in ingresso, tensione in uscita ed al diodo zener stesso, il valore resistivo R1 assumerà ogni volta valori e dimensioni diverse 27 28

8 Applicazioni del diodo Zener: stabilizzazione di una tensione Applicazioni del diodo Zener: stabilizzazione di una tensione Per ricavare il suo valore efficace è sufficiente eseguire alcuni semplici calcoli: R=(Vcc Vcz) : A in cui: R = valore ohmico resistenza R1; Vcc = tensione di alimentazione in ingresso; Vcz = tensione di lavoro diodo zener; A = corrente di assorbimento circuito; Esempio: Se il nostro circuito deve essere alimentato a 5 Volt con corrente massima di assorbimento pari a 30mA, impiegheremo un diodo zener da 5V1, ed il valore dir1 sarà: R=(12 5.1) : 0.030= 230ohm ==> di conseguenza il valore resistivo prossimo è 220ohm. Formule da utilizzare per diodi zener di potenze differenti: Formule da utilizzare per ricavare la potenza della resistenza da applicare: per diodi zener da 1/2 watt: per diodi zener da 1/2 watt: Ohm = (Vcc Vcz) : (20 + ma) x 1000; Watt = (Vcc Vcz) x (20 + ma) : 1000; per diodi zener da 1 watt: per diodi zener da 1 watt: Ohm = (Vcc Vcz) : (30 + ma) x 1000; Watt = (Vcc Vcz) x (30 + ma) : 1000; per diodi zener da 2 watt: per diodi zener da 2 watt: Ohm = (Vcc Vcz) : (40 + ma) : 1000; Watt = (Vcc Vcz) x (40 + ma) : 1000; Diodo led Diodo led Questi tidiodi emettono luce visibile iibil se polarizzati tidirettamente: t di solito vengono usati per segnalazione su pannelli di controllo e come spie luminose, oppure come trasmettitori per telecomandi e fibre ottiche. Di recente sono stati sviluppati modelli ad alta luminosità adatti per illuminotecnica, e già oggi esistono in commercio numerosi apparecchi di illuminazione che utilizzano i LED come sorgenti in alternativa alle tradizionali lampade ad incandescenza e alle lampade fluorescenti, con grossi vantaggi in termini di risparmio energetico, durata e resa cromatica. La loro tensione di polarizzazione diretta varia a seconda della lunghezza d'onda della luce che emettono, ed emettono tanta più luce quanta più corrente li attraversa: in genere è necessario una corrente minima di 4 ma (corrente di soglia) )perché possano emettere luce in quantità percettibile. La corrente varia in funzione dl del tipo di led impiegato. I diodi LED normali richiedono di media 15 ma per emettere una buona luminosità. Nel caso di LED HL (alta luminosità) la corrente sale fino a valori di circa ma. LED di nuova concezione, ad altissima luminosità sono in grado di assorbire correnti di molti ampere, per questi, è previsto it l'accoppiamento meccanico di un dissipatore di calore. Colore Infrarosso Rosso Giallo Arancio Verde Azzurro Blu Ultravioletto Tensione diretta 1,3 V 1,8 V 1,9 V 2,0 V 2,0 V 3,0 V 3,5 V 4,0-4,5 V 31 32