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Diodo a giunzione

Il diodo è un componente elettronico passivo (non introduce un guadagno di tensione o di corrente). Presenta una bassa resistenza quando è polarizzato direttamente e un'altissima resistenza quando è polarizzato inversamente.

per questa sua proprietà viene usato in numerose applicazioni come: circuiti raddrizzatori, formatori d'onda, stabilizzatori di tensione etc..

Caratteristica del diodo


La curva caratteristica illustrata in figura, esprime graficamente l'andamento della corrente (I) al variare della tensione fra anodo e catodo (V) per un generico diodo al Silicio.
Per tensioni V positive la giunzione è polarizzata direttamente e la corrente diretta fluisce dall'ando al catodo. Per valori di V compresi fra 0 e Vγ tuttavia la corrente assume valori trascurabili; Vγ , che rappresenta la tensione di soglia oltre la quale la corrente diretta assume valori apprezzabili, vale circa 0,5 V per diodi al Silicio e circa 0,1 V per diodi al Germanio. Per valori di V superiori a Vγ , la corrente cresce esponenzialmente assumendo valori anche considerevoli.
Per tensioni V negative la giunzione è polarizzata inversamente: la corrente inversa di saturazione I0 fluisce dal catodo all'anodo e presenta valori assai ridotti.

Per un dato valore di tensione negativa, di solito piuttosto elevato (decine o centinaia di volt), si verifica la rottura della giunzione (breakdown): il forte campo elettrico generato dalla d.d.p. applicata ai capi del diodo libera molti elettroni dai legami covalenti; gli elettroni, così accelerati, urtano atomi vicini fornendo energia ad altri elettroni, che a loro volta si liberano, causando una moltiplicazione a valanga di portatori liberi.
La relazione fra la tensione applicata ai capi del diodo e la corrente circolante è espressa dall'equazione


dove "e" è il numero di Neper I0 è la corrente inversa di saturazione è nell'ordine dei nA nei diodi al silicio, mentre per il germanio è nell'ordine dei µA.


con ;
k=costante di Boltzmann 1,3805 10-23 J / °K
T=temperatura in °K
q=carica dell'elettrone=1,6 10-19C

VT è l'equivalente in tensione della temperatura e vale VT = T/11600. Alla temperatura ambiente (T=298 K=25°C) risulta VT=26 mV.

Per tensioni V molto superiori a VT risulta exp(VD/VT) >> 1 e l'equazione si riduce all'espressione



La corrente del diodo varia con la temperatura anche a causa della variazione di I0.

Il diodo nei circuiti

Il circuito illustrato sotto, in cui il diodo è posto in serie a un carico RL, rappresenta la più semplice e comune applicazione di questo dispositivo. Per ricavare i valori istantanei della corrente i e della tensione v quando all'ingresso è applicato un dato segnale vi, si può utilizzare l'equazione alla maglia


Essa rappresenta una retta nel piano I-V, nota come retta di carico, che interseca gli assi per V =0 e per I = 0, con pendenza -1/RL.

L'intersezione fra la caratteristica del diodo e la retta di carico individua il punto di funzionamento o di lavoro statico (P), ovvero fornisce i valori di I e V per quel particolare diodo, in quel circuito, con quel valore di RL e con una data tensione Vi.

Se Vi varia, la retta di carico si sposta, mantenendo la stessa pendenza dal momento che RL non è variata, e così si sposta il punto di lavoro (P). Pertanto, al variare di Vi, il punto di lavoro si muove sulla caratteristica del diodo consentendo di individuare i corrispondenti valori di corrente.

Modelli approssimati del diodo

L'uso della caratteristica del diodo per la soluzione di circuiti è decisamente poco pratico, anche perché non sono sempre disponibili le caratteristiche dei diodi reali. Comunemente si ricorre, quindi, a modelli circuitali del diodo introducendo approssimazioni più o meno drastiche a seconda del tipo di applicazione. In questo modo anche la curva caratteristica si riduce a una spezzata che interpola la caratteristica reale.
Un'approssimazione valida nella quasi totalità dei casi è quella che considera il diodo polarizzato inversamente come una resistenza come una resistenza RD= ∞ di valore infinito ossia un circuito aperto.


caso a: diodo come interruttore. Dovendo valutare qualitivamente il funzionamento di un circuito comprende uno o più diodi, spesso si utilizza il modello più semplice, che desidera il diodo in polarizzazione inversa come un interruttore aperto e il diodo in polarizzazione diretta come un interruttore chiuso ovvero un cortocircuito.

caso b: diodo come batteria. Mentre è lecito considerare il diodo in polarizzazione inversa come un circuito aperto, in molti casi è necessario tener conto della caduta di tensione non nulla sul diodo in polarizzazione diretta. Il diodo in polarizzazione diretta viene quindi rappresentato come in figura b) cioè come una batteria di valore Vγ =0,5V.

caso c: diodo come batteria e resistenza. E' un modello più preciso che consente di considerare anche la variazione di tensione ai capi del diodo al variare della corrente circolante dove Vγ =0,7V e alla resistenza RD viene assegnato un valore da pochi Ω a poche decine di Ω.

Transcaratteristica

Nella maggior parte dei casi occorre analizzare un circuito per valutare la risposta, cioè per ricavare la forma d'onda di uscita vo, quando in ingresso viene applicato un segnale vi.


Considerando il circuito precedente: per vi<Vγ :il diodo è polarizzato inversamente; per cui il stesso un circuito aperto; i=0; vo=iRL=0.


per vi≥ Vγ :il diodo è polarizzato direttamente e il circuito è quello illustrato in figura, dove
vo=iRL.

Queste considerazioni portano alla definizione della transcaratteristica completa.
Se in ingresso, ipotizziamo la presenza di un segnale alternato sinusoidale, la risposta in uscita è deducibile da tale schema come viene illustrato nell'immagine sottostante:

 






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