LA CARATTERISTICA DEL DIODO
Lo studio di un dispositivo elettronico deve portare alla
comprensione del suo comportamento. Nei casi di dispositivi più semplici come la
resistenza o il diodo ciò si traduce sostanzialmente nel determinare il legame
che esiste fra la o le correnti che attraversano il dispositivo e le tensioni
applicate ad esso. Dispositivi come la resistenza sono detti lineari perché la
legge che lega tensione e corrente è lineare. Il che, detto in termini semplici,
vuol dire che tale legge è esprimibile mediante espressioni matematiche in cui
tensione e corrente sono legate soltanto mediante operatori di somma algebrica.
Per la resistenza, ad esempio, tale legge è la famosa legge di Ohm V=RI.
Graficamente tale legge trova la sua rappresentazione in una retta.
Dispositivi come il diodo sono invece non lineari. Per essi
il legame fra tensione e corrente è espresso matematicamente da una legge più
complessa, rappresentata graficamente da una curva e non da una retta. Tale
curva prende il nome di caratteristica del diodo. Nella figura seguente
troviamo una rappresentazione di tale caratteristica
Notate che la scala di rappresentazione delle ordinate è
diversa per i valori di corrente positivi (rappresentati in milliampere) e per
quelli negativi (rappresentati in microampere nella figura). Questo perché
l’ordine di grandezza della corrente circolante nel diodo è molto diversa nel
caso il diodo sia polarizzato direttamente
e nel caso in cui sia polarizzato inversamente.
Analizziamo in dettaglio questa curva. Osservando la parte
della curva che si riferisce alla polarizzazione diretta del diodo, notiamo
innanzitutto che il diodo non conduce appena gli si applichi una tensione
positiva tra anodo e catodo. Esiste,
infatti, un valore di tensione minimo che va superato, detto tensione di
soglia, prima che cominci a circolare corrente nel diodo. La presenza della
tensione di soglia si spiega con il fatto che nel diodo è presente una
barriera di potenziale naturale. La tensione di polarizzazione diretta
imposta dall’esterno deve superare questo valore di tensione per abbattere la
barriera di potenziale, prima di poter permettere il passaggio di corrente.
Superata la tensione di soglia, la corrente cresce molto rapidamente
all’aumentare della tensione. Il legame che si ha fra corrente e tensione è di
tipo esponenziale.
Passiamo ora alla parte sinistra del grafico che rappresenta
il comportamento del diodo in polarizzazione inversa. Abbiamo detto, a proposito
della giunzione pn, che in polarizzazione inversa essa non conduce. Notiamo,
invece, dal grafico che una corrente interessa il diodo anche se piccolissima,
dell’ordine dei microampere o addirittura nanoampere. La presenza di tale
corrente si spiega ricordando che nella giunzione pn sono presenti portatori
di carica minoritari. Nella zona p abbiamo una gran quantità di lacune
introdotte con il drogaggio ma ciò non toglie che esista una piccola quantità di
elettroni che abbandonano naturalmente gli orbitali degli atomi di silicio. Essi
sono i portatori minoritari nella zona p. Analogamente troviamo una piccola
quantità di lacune nella zona n. Se il diodo è polarizzato inversamente, abbiamo
un campo elettrico che va dalla zona n alla zona p. Le lacune non possono
passare dalla zona p alla zona n e gli elettroni non possono più passare dalla
zona n alla zona p. I portatori di carica minoritari possono invece attraversare
la giunzione perché trovano un campo elettrico favorevole. Gli elettroni
minoritari che si trovano nella zona p, vengono spinti, infatti, in direzione
opposta al campo elettrico, cioè verso la zona n e le lacune minoritarie che si
trovano nella zona n vengono spinte nella direzione del campo elettrico cioè
verso la zona p. La corrente di cariche minoritarie è quella rappresentata nella
caratteristica e prende il nome di corrente di saturazione inversa.
Analizzando la caratteristica notiamo, però, che se si supera
un certo valore di tensione di polarizzazione inversa, il diodo comincia ad
essere interessato da una corrente notevolissima. La grande pendenza di questo
tratto di curva, quasi verticale, ci informa del fatto che si hanno in tal caso
aumenti notevoli della corrente per minime variazioni della tensione. Questo
improvviso aumento della corrente che rende il diodo quasi un cortocircuito, e
può addirittura distruggerlo è dovuto a due fenomeni diversi:
Effetto
valanga
Effetto Zener
Il primo effetto consiste nel fatto che i portatori di carica
minoritari che circolano nel diodo sono sottoposti al campo elettrico presente
nel dispositivo. Come ci insegna la fisica, ciò significa che essi sono
sottoposti ad una forza e quindi subiscono un’accelerazione, acquistando energia
cinetica. Se il campo elettrico è abbastanza forte (dell’ordine dei 200kV/cm)
l’energia cinetica dei portatori di
carica minoritari è tale che essi , collidendo on un atomo del reticolo
cristallino, possono produrre la rottura dei legami covalenti e quindi liberare
altre cariche. A questo punto si ha un effetto valanga perché le cariche
liberate vengono a loro volta accelerate e liberare altre cariche urtando atomi,
e così via, con una moltiplicazione esponenziale del numero di cariche
libere.
Il secondo effetto consiste nel fatto che, nel caso il campo
elettrico sia sufficientemente forte (>500 kV/cm) esso è in grado di
strappare letteralmente elettroni dagli orbitali aumentando il numero di cariche
libere.
La tensione oltre la quale il diodo diventa un forte
conduttore è detta tensione di breakdown o di rottura.
La caratteristica del diodo, sia in polarizzazione diretta
sia in polarizzazione inversa è fortemente influenzata dalla temperatura. Nel
primo caso la curva trasla verso l’alto all’aumentare della temperatura
Nel secondo caso essa trasla verso il basso
In entrambi i casi si ha un aumento del valore assoluto della
corrente. Ciò si spiega con il fatto che un aumento di temperatura significa
somministrare energia alla barretta di silicio, cioè aumentare il numero di
elettroni che posseggono l’energia sufficiente per abbandonare gli orbitali e
divenire liberi e quindi aumentare l’intensità della corrente a parità di
tensione applicata.
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