Diodo

Componente elettronico a due terminali attraverso cui la conduzione è unidirezionale, cioè la corrente scorre sotto una sola direzione del campo elettrico applicato.

I diodi sono costituiti da un piccolo cristallo di materiale semiconduttore, normalmente una piastrina di silicio o di germanio, 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 p-n.
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 Vs che interrompe il processo di diffusione nel momento (pressoché istantaneo). In altri termini, la barriera di potenziale Vs 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 Vs. Ne segue che V si addiziona a Vs aumentando la barriera di potenziale al valore di Vs+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 Vs-V, permettendo ad 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 p-n 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.
La realizzazione di giunzioni p-n dotate di caratteristiche particolari permette di ottenere tipi particolari di diodo, che mostrano caratteristiche variabili a seconda della intensità e del verso della tensione applicata. Alcuni esempi sono costituiti dal diodo Zener, sfruttato come stabilizzatore di tensione, dal diodo Schottky, dotato di tempi rapidissimi di commutazione, particolarmente adatto nei circuiti elettronici ad alta frequenza, dal diodo tunnel, la cui corrente inversa può raggiungere valori molto elevati, utilizzato soprattutto come oscillatore, amplificatore e commutatore, e infine dal diodo varactor, che, grazie alla capacità variabile mostrata in polarizzazione inversa, trova la sua applicazione ottimale in circuiti di sintonizzazione per VHF e microonde.

Foto-diodo

Un altro tipo di diodo a giunzione è il foto-diodo, che produce spontaneamente una tensione fra i terminali quando la giunzione viene sottoposta a radiazioni del visibile e del vicino infrarosso; tale caratteristica lo rende adatto all'impiego nelle celle solari.

Diodo L.E.D.

I diodi emettitori di luce o LED (Light Emetting Diode) sono in grado di emettere una radiazione luminosa quando per effetto di una polarizzazione diretta del diodo si ha il fenomeno dei ricombinazione delle cariche elettriche.
Lo spettro d’emissione, cioè il colore della radiazione, dipende dal materiale che compone il diodo. Vengono realizzati diodi LED rossi, verdi, azzurri e arancio.
I LED sono usati come indicatori luminosi, nei visualizzatori numerici delle calcolatrici e degli orologi digitali, nei telecomandi e nei sistemi a fibre ottiche.

Diodo Schottky

Diodo Schottky Componente elettronico costituito da una giunzione metallo-semiconduttore con proprietà raddrizzatrici, in quanto conduce solo se il metallo (di solito alluminio) è polarizzato negativamente rispetto al semiconduttore (tipicamente silicio o arseniuro di gallio di tipo n e poco drogato). Rispetto alla giunzione p-n, la giunzione ideata dal fisico tedesco di origine svizzera Walter Hans Schottky (1866-1976) presenta una maggiore conducibilità in polarizzazione diretta e una commutazione più rapida dalla conduzione alla non conduzione. Infatti in polarizzazione diretta i portatori di carica che attraversano la giunzione dal semiconduttore verso il metallo sono elettroni, presenti in sovrabbondanza nel metallo stesso: la corrente di conduzione è dunque considerevole, per cadute di tensione ai capi del diodo ridotte rispetto ad una giunzione p-n tradizionale. La commutazione rapida si ottiene poiché nel metallo non si creano regioni di “immagazzinamento” di carica nei pressi della giunzione, essendo gli elettroni impegnati nella conduzione. Tali proprietà rendono il diodo Schottky particolarmente adatto alle alte frequenze, come rivelatore e nei circuiti logici a elevata velocità di commutazione.

Diodo Tunnel

Diodo Tunnel, particolare tipo di diodo a giunzione p-n, in cui sia la zona di tipo p (ossia con eccesso di lacune) che quella di tipo n (con eccesso di elettroni) del semiconduttore sono fortemente drogate, in modo che la regione di svuotamento (che corrisponde allo spazio immediatamente a ridosso della superficie di contatto fra i due materiali, e che determina la barriera di potenziale che si stabilisce in corrispondenza della giunzione) sia estremamente sottile. Queste condizioni fanno sì che, anche quando non vi è tensione esterna applicata ai capi del diodo, sussista fra i due cristalli uno scambio di cariche, che riescono ad attraversare la giunzione per “effetto tunnel”.
Il diodo tunnel fu costruito nel 1958 dal fisico giapponese Leo Esaki, che ne spiegò anche il meccanismo di funzionamento, e per tale risultato venne insignito del Nobel per la fisica nel 1973.
Se un diodo tunnel è polarizzato direttamente, la corrente di portatori maggioritari aumenta con la tensione, come in un diodo normale, fino a un determinato valore del potenziale esterno, laddove gli elettroni riescono, per effetto tunnel, ad attraversare la giunzione in senso opposto a quello dei portatori maggioritari, creando una corrente di segno opposto a I_p e abbassando l’intensità della corrente totale. Ciò vale fino a un valore tipico di tensione diretta, al di là del quale la corrente riprende a crescere all’aumentare della tensione diretta.
In polarizzazione inversa, ovvero quando la corrente è ottenuta dai portatori di carica minoritari, la corrente che attraversa la giunzione può essere molto alta e il diodo tunnel si comporta come un ottimo conduttore.
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; Lo rende adatto alla realizzazione di oscillatori, anche ad altissima frequenza, di amplificatori, di commutatori, di rivelatori e di filtri di elevata qualità.

Diodo Varactor

Diodo varactor detto anche diodo a capacità variabile, è un particolare tipo di diodo a giunzione p-n, in cui sia la zona di tipo p che quella di tipo n del semiconduttore (generalmente silicio o arseniuro di gallio) sono fortemente drogate. La regione di svuotamento di carica (che corrisponde allo spazio immediatamente a ridosso della superficie di contatto fra i due materiali) è inoltre particolarmente ridotta. In condizioni di polarizzazione inversa, che equivalgono a porre la zona di tipo p a una tensione negativa rispetto alla zona di tipo n, il diodo varactor presenta una capacità di notevole entità, che varia rapidamente con la tensione applicata. In tali condizioni, inoltre, la resistenza interna della giunzione è piccola, quasi trascurabile, e dunque il diodo mostra un comportamento puramente capacitivo. Per questa ragione il diodo varactor trova impiego nella realizzazione di circuiti di sintonia automatica per VHF e microonde, oltre che di amplificatori e di moltiplicatori di frequenza.

Diodo Zener

Diodo Zener, particolare tipo di diodo a giunzione p-n che sfrutta la conduzione quasi unidirezionale offerta dalla superficie di separazione fra due zone fortemente drogate di uno stesso cristallo semiconduttore (solitamente silicio). Quando la zona di tipo p è polarizzata positivamente rispetto alla zona di tipo n, la giunzione presenta bassa resistenza (polarizzazione diretta). Nel caso contrario (polarizzazione inversa) presenta invece resistenza elevata, fino a che la tensione ai capi del diodo è mantenuta entro un determinato intervallo di valori. Oltrepassato tale limite, il diodo Zener diventa fortemente conduttore, impedendo alla tensione inversa di aumentare ulteriormente (effetto descritto intorno al 1940 dall'inglese C. Zener). Per questa sua caratteristica il diodo Zener, usato in polarizzazione inversa, è particolarmente sfruttato come stabilizzatore di tensione o sorgente di tensione di riferimento costante.
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 100mW e 50mW.