Il diodo a stato solido è ampiamente utilizzato in ingegneria elettrica ed elettronica. Con il suo basso costo e il buon rapporto potenza-dimensioni, ha rapidamente sostituito i dispositivi a vuoto di applicazione simile.
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Costruzione e funzionamento di un diodo a semiconduttore
Un diodo a semiconduttore consiste in due regioni (strati) fatte di un semiconduttore (silicio, germanio, ecc.). Una regione ha un eccesso di elettroni liberi (n-semiconduttore), e una ha una carenza (p-semiconduttore) - questo si ottiene drogando il materiale di base. In mezzo c'è una piccola zona dove un eccesso di elettroni liberi dal polo n "copre" i buchi dal polo p p (ricombinazione per diffusione), e nessun portatore di carica libera è presente in questa zona. Quando viene applicata una tensione diretta, la regione di ricombinazione è piccola, la sua resistenza è bassa, e il diodo porta la corrente in quella direzione. Quando viene applicata la tensione inversa, la zona senza portante aumenta e la resistenza del diodo aumenta. Nessuna corrente scorrerà in questa direzione.
Tipi, classificazione e grafica nei circuiti elettrici
In generale, un diodo è indicato in un diagramma da una freccia stilizzata che indica la direzione della corrente. Una rappresentazione grafica convenzionale (CSR) di un dispositivo contiene due terminali - anodo e catodoI semiconduttori bipolari sono collegati in connessione diretta rispettivamente al lato più e meno del circuito.
Ci sono molte varietà di questo dispositivo a semiconduttore bipolare, che possono avere un CSD leggermente diverso a seconda del loro scopo.
Stabilitroni (diodi Zener)
Uno stabilitron è un dispositivo a semiconduttoreFunziona con tensione inversa nella regione di ripartizione a valanga. In questa regione la tensione attraverso un diodo Zener è stabile su un'ampia gamma di corrente attraverso il dispositivo. Questa proprietà è utilizzata per stabilizzare la tensione attraverso il carico.
Stabilizzatori
Gli stabilizzatori fanno un buon lavoro di stabilizzazione delle tensioni da 2V in su. Per ottenere una tensione costante al di sotto di questo limite, si usano degli stabilizzatori. Drogando il materiale di cui sono fatti questi dispositivi (silicio, selenio), si ottiene la massima verticalità possibile della linea retta della caratteristica. Questo è il modo in cui operano gli stabilizzatori, producendo una tensione di riferimento compresa tra 0,5V e 2V sul ramo rettilineo della caratteristica volt-ampere alla tensione diretta.
Diodi Schottky
I diodi Schottky si basano su un circuito semiconduttore-metallo e non hanno una giunzione comune. Questo fornisce due importanti proprietà:
- Caduta di tensione in avanti ridotta (circa 0,2 V);
- Frequenze operative più elevate grazie alla minore capacità intrinseca.
Gli svantaggi sono correnti inverse più elevate e una minore tolleranza alla tensione inversa.
Varicaps .
Ogni diodo ha una capacità elettrica. Le due cariche di massa (le regioni p e n del semiconduttore) servono come i gusci del condensatore, e il dielettrico è lo strato di chiusura. Quando viene applicata una tensione inversa, questo strato si espande e la capacità diminuisce. Questa proprietà è inerente a tutti i diodi, ma con i varicap la capacità è normalizzata e nota a determinati limiti di tensione. Questo rende possibile l'uso di dispositivi come condensatori con capacità variabile e utilizzato per sintonizzare o mettere a punto i circuiti fornendo diversi livelli di tensione inversa.
Diodi a tunnel
Questi dispositivi hanno una deviazione nella sezione anteriore della caratteristica in cui un aumento della tensione provoca una diminuzione della corrente. La resistenza differenziale è negativa in questa zona. Questa proprietà permette ai diodi tunnel di essere usati come amplificatori per segnali deboli e come oscillatori a frequenze superiori a 30 GHz.
Dinistori
Tiristori a diodi - I tiristori a diodi hanno una struttura p-n-p-n e hanno una forma d'onda a S, e non conducono corrente finché la tensione applicata non raggiunge un livello di soglia. Dopo di che, si apre e si comporta come un diodo normale fino a quando la corrente scende sotto il livello di mantenimento. I dinistori sono utilizzati nell'elettronica di potenza come interruttori.
Fotodiodi
Un fotodiodo è fatto in un alloggiamento con la luce visibile che raggiunge il cristallo. Quando la giunzione p-n viene irradiata, in essa si genera un EMF. Questo permette al fotodiodo di essere utilizzato come fonte di corrente (come parte di una cella solare) o come sensore di luce.
LED .
La proprietà di base di un fotodiodo è che può emettere luce quando una corrente scorre attraverso una giunzione p-n. Questo bagliore non è legato all'intensità del calore come una lampadina a incandescenza, quindi il dispositivo è economico. A volte viene usato il bagliore diretto della giunzione, ma più spesso viene usato come iniziatore per accendere il fosforo. Questo ha permesso di ottenere colori LED precedentemente irraggiungibili, come il blu e il bianco.
Diodi Gunn
Anche se un diodo di Gann ha il solito simbolo, non è un diodo nel pieno senso della parola. Questo perché non ha una giunzione p-n. Questo dispositivo consiste in un wafer di arseniuro di gallio su un substrato metallico.
Senza entrare nella complessità dei processi: quando un campo elettrico di una certa grandezza viene applicato a un dispositivo, si producono oscillazioni elettriche il cui periodo dipende dalla dimensione del wafer semiconduttore (ma entro certi limiti la frequenza può essere corretta da elementi esterni).
I diodi di Gann sono utilizzati come oscillatori a frequenze di 1 GHz e oltre. Il vantaggio del dispositivo è la stabilità ad alta frequenza, lo svantaggio è la piccola ampiezza delle oscillazioni elettriche.
Magnetodiodi
I diodi convenzionali sono debolmente influenzati dai campi magnetici esterni. I magnetodiodi sono appositamente progettati per aumentare la loro sensibilità. Sono fatti usando la tecnologia p-i-n con una base estesa. Sotto l'influenza di un campo magnetico, la resistenza in avanti del dispositivo aumenta, e questo può essere utilizzato per creare interruttori di prossimità, convertitori di campo magnetico e simili.
Diodi laser
Il principio di funzionamento di un diodo laser si basa sulla proprietà della coppia elettrone-hole di emettere luce visibile monocromatica e coerente in certe condizioni durante la ricombinazione. I modi di creare queste condizioni variano, e l'utente deve solo conoscere la lunghezza d'onda emessa dal diodo e la sua potenza.
Diodi a valanga
Questi dispositivi sono utilizzati nell'industria delle microonde. In certe condizioni, una modalità di rottura a valanga si traduce in una regione di resistenza differenziale negativa sulla caratteristica del diodo. Questa proprietà degli LPD permette loro di essere utilizzati come generatori, operando a lunghezze d'onda fino alla gamma millimetrica. Lì è possibile ottenere una potenza di almeno 1 W. A frequenze più basse, questi diodi producono fino a diversi kilowatt.
Diodi PIN .
Questi diodi sono fabbricati utilizzando la tecnologia p-i-n. Tra gli strati di semiconduttori drogati c'è uno strato di materiale non drogato. Per questo motivo, le proprietà raddrizzatrici del diodo sono degradate (la ricombinazione è ridotta alla tensione inversa a causa dell'assenza di contatto diretto tra le zone p e n). D'altra parte, a causa della spaziatura delle regioni di carica bulk, la capacità parassita diventa molto piccola, la perdita di segnale alle alte frequenze è praticamente eliminata nello stato chiuso, e i diodi pin possono essere utilizzati in HF e UHF come elementi di commutazione.
Caratteristiche e parametri principali dei diodi
Le principali caratteristiche dei diodi a semiconduttore (eccetto quelli per usi speciali) sono
- massima tensione inversa ammissibile (CC e impulsi)
- limitare la frequenza di funzionamento;
- caduta di tensione in avanti;
- intervallo di temperatura di funzionamento.
Le altre caratteristiche importanti sono meglio illustrate dalla curva I-V del diodo.
Caratteristica volt-ampere di un diodo a semiconduttore
La caratteristica volt-ampere di un diodo a semiconduttore consiste in un ramo in avanti e un ramo inverso. Si trovano nei quadranti I e III, poiché la direzione della corrente e della tensione attraverso il diodo coincidono sempre. Dalla caratteristica volt-ampere è possibile determinare alcuni parametri e anche vedere visivamente quali sono le caratteristiche del dispositivo.
Tensione di soglia di conducibilità
Se si applica una tensione continua a un diodo e si comincia ad aumentarla, all'inizio non succederà nulla - la corrente non aumenterà. Ma ad un certo valore, il diodo si apre e la corrente aumenta in funzione della tensione. Questa tensione è chiamata tensione di soglia di conducibilità ed è segnata sul VAC come soglia U. Dipende dal materiale di cui è fatto il diodo. Per i semiconduttori più comuni questo parametro è:
- silicio - 0,6-0,8 V;
- germanio - 0,2-0,3 V;
- Arseniuro di gallio - 1,5 V.
La proprietà dei semiconduttori al germanio di aprirsi a bassa tensione è utilizzata nei circuiti a bassa tensione e in altre situazioni.
Corrente massima attraverso un diodo quando viene alimentato direttamente
Dopo l'apertura di un diodo, la sua corrente aumenta con l'aumentare della tensione diretta. Per un diodo ideale questo grafico va all'infinito. In pratica, è limitato dalla capacità del semiconduttore di dissipare il calore. Se si raggiunge un certo limite, il diodo si surriscalda e fallisce. Per evitare questo, i produttori indicano la massima corrente ammissibile (Imax sul CVC). Questo può essere approssimato dalle dimensioni del diodo e del suo alloggiamento. In ordine decrescente:
- I dispositivi con rivestimento metallico trattengono la corrente più alta;
- Gli involucri di plastica sono progettati per una potenza media;
- I diodi incapsulati in vetro sono utilizzati nei circuiti a bassa corrente.
Gli apparecchi metallici possono essere montati sui radiatori - questo aumenterà la capacità di dissipazione.
Corrente di dispersione inversa
Se la tensione inversa è applicata a un diodo, un amperometro a bassa sensibilità non mostrerà nulla. Infatti, solo un diodo perfetto non perde alcuna corrente. Un dispositivo reale avrà corrente, ma è molto piccola, e si chiama corrente di dispersione inversa (sulla forma d'onda, Iobr). Si tratta di decine di microamperes o di decimi di milliamperes ed è molto più piccola della corrente diretta. Può essere determinato dal libro di riferimento.
Interruzione della tensione
Ad un certo valore di tensione inversa c'è un rapido aumento della corrente che è chiamato breakdown. Questo è di tipo a tunnel o a valanga ed è reversibile. Questo modo di funzionamento è utilizzato per stabilizzare la tensione (modo valanga) o per generare degli impulsi (modo tunnelling). Quando la tensione è ulteriormente aumentata, la rottura diventa termica. Questa modalità è irreversibile e il diodo si guasta.
Capacità parassita della giunzione pn
Si è già detto che una giunzione p-n ha capacità elettrica. E mentre nei varicap questa proprietà è utile e utilizzata, nei diodi convenzionali può essere dannosa. Anche se la capacità è dell'ordine di unità o decine di pF e può non essere evidente a DC o a basse frequenze, il suo effetto aumenta all'aumentare della frequenza. Qualche picofarad a RF creerà una resistenza sufficientemente bassa per la perdita parassita del segnale, si aggiungerà alla capacità esistente e cambierà i parametri del circuito, e si combinerà con l'induttanza di un cavo o di un conduttore stampato per formare un circuito con risonanza parassita. Pertanto, nella fabbricazione di dispositivi ad alta frequenza vengono prese misure per ridurre la capacità di giunzione.
Etichettatura dei diodi
Il metodo più semplice per etichettare i diodi è quello di utilizzare un contenitore metallico. Nella maggior parte dei casi, sono etichettati con la designazione del dispositivo e l'assegnazione dei pin. I diodi in involucri di plastica sono contrassegnati da un marchio ad anello sul lato del catodo. Ma non c'è garanzia che il produttore segua rigorosamente questa regola, quindi è meglio consultare un libro di riferimento. Meglio ancora, usate un multimetro per testare il dispositivo.
Gli stabilitroni domestici a bassa potenza e alcuni altri dispositivi possono avere due anelli o punti di colori diversi sui lati opposti della cassa. Per determinare il tipo di tale diodo e il suo pin, bisogna procurarsi un libro di riferimento o trovare un identificatore di marcatura online su Internet.
Applicazioni per i diodi
Nonostante la loro semplice costruzione, i diodi a semiconduttore sono ampiamente utilizzati in elettronica:
- Per rettificare Tensione AC. Un classico del genere - usare la proprietà della giunzione p-n per condurre la corrente in una direzione.
- Rilevatori a diodo. Questo utilizza la non linearità della forma d'onda per permettere di estrarre le armoniche dal segnale, di cui le armoniche desiderate possono essere raccolte dai filtri.
- Due diodi commutati in controparte servono come limitatore per i segnali ad alta potenza che possono sovraccaricare gli stadi d'ingresso a valle di ricevitori radio sensibili.
- Gli stabilizzatori possono essere inclusi come elementi di protezione dalle scintille per evitare che impulsi di alta tensione raggiungano i circuiti dei sensori installati in aree pericolose.
- I diodi possono servire come dispositivi di commutazione in circuiti ad alta frequenza. Si aprono con tensione continua e permettono al segnale HF di passare (o meno).
- I diodi parametrici servono come amplificatori di segnali deboli nella gamma delle microonde grazie alla presenza di una sezione di impedenza negativa nella linea retta della caratteristica.
- I diodi sono utilizzati per costruire miscelatori che operano in apparecchiature di trasmissione o ricezione. Mischiano segnale eterodina con un segnale ad alta frequenza (o a bassa frequenza) per un'ulteriore elaborazione. Questo sfrutta anche la non linearità della curva I-V.
- La caratteristica non lineare permette ai diodi UHF di essere usati come moltiplicatori di frequenza. Quando un segnale passa attraverso un diodo moltiplicatore, vengono estratte le armoniche superiori. Questi possono essere ulteriormente isolati mediante filtraggio.
- I diodi sono utilizzati come elementi di sintonia nei circuiti risonanti. Questo fa uso della capacità controllata sulla giunzione p-n.
- Alcuni tipi di diodi sono usati come oscillatori nella gamma delle microonde. Questi sono principalmente diodi tunnel e dispositivi ad effetto Gann.
Questa è solo una breve descrizione delle capacità dei dispositivi a semiconduttore con due conduttori. Con uno studio approfondito delle proprietà e delle caratteristiche, i diodi possono essere utilizzati per risolvere molte delle sfide poste ai progettisti di dispositivi elettronici.
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