Il Diodo: caratteristiche (introduzione)

Il diodo è un componente elettronico passivo non-lineare che permette il flusso di elettroni, e quindi di corrente elettrica, solo in un verso. Inizialmente è nato sotto forma di valvole termoioniche ma poi si è evoluto attraverso l’utilizzo di materiali semiconduttori.

Esistono molte tipologie di diodo ed ognuna possiede le sue particolari caratteristiche, ma ciò nonostante è possibile partire dai diodi a giunzione per spiegare il funzionamento di tutte le varie famiglie.

Prima di procedere è doveroso fare un focus sui materiali semiconduttori tipo P e semiconduttori tipo N.

Semiconduttori di tipo N e di tipo P

Diodo a giunzione PN

Si tratta di componenti composti da due giunzioni: una di tipo P, realizzata da cristalli di silicio drogato con atomi trivalenti (Boro, Alluminio, Gallio ecc…), e l’altra di tipo N, realizzata da cristalli di silicio drogato con atomi pentavalenti (Fosforo, Arsenico ecc…).

A livello circuitale indicheremo con A (anodo) la zona P e con K (catodo) la zona N. La corrente elettrica potrà scorrere liberamente solo dall’anodo verso il catodo. Il simbolo elettrico generico utilizzato per i diodi a giunzione è quindi formato da un triangolo avente la punta rivolta verso il catodo ed in corrispondenza di questa punta una sbarra orizzontale. Il simbolo il verso della corrente accettata dal diodo.

A questo punto possiamo definire due casistiche di funzionamento:

• POLARIZZAZIONE DIRETTA: Ci si trova in questa casistica quando il potenziale elettrico dell’anodo è maggiore di quello del catodo, di conseguenza la corrente elettrica fluisce correttamente dall’anodo al catodo. Il diodo, per condurre, necessita che tra anodo e catodo vi sia una tensione superiore alla tensione di soglia Vγ (parametro caratteristico del singolo diodo, tipicamente per i diodi a giunzione 0.7V). A livello circuitale ci ritroveremo nella condizione seguente e il carico sarà correttamente alimentato.

• POLARIZZAZIONE INVERSA: Ci si trova in questa casistica quando il potenziale elettrico del catodo è maggiore di quello dell’anodo, di conseguenza la corrente elettrica non può fluire ì dall’anodo al catodo poiché verrà bloccata dal diodo stesso. Ci si trova in questa condizione di funzionamento anche quando il diodo funziona linearmente e quindi l’anodo possiede potenziale elettrico maggiore del catodo ma la tensione tra questi due punti è al di sotto del valore di tensione di soglia Vγ. A livello circuitale ci ritroveremo nella condizione seguente e il carico non sarà alimentato.

Giunti a questo punto possiamo quindi introdurre la curva caratteristica del funzionamento di un diodo:

Possiamo quindi notare che quando un diodo lavoro nel primo quadrante (ovvero potenziale anodo maggiore del potenziale catodo) siamo in polarizzazione diretta. Ciò nonostante il diodo conduce corrente (la curva assume andamento esponenziale) solo al raggiungimento ai suoi capi della tensione di soglia Vγ.

Nel terzo quadrante, invece, notiamo la zona di polarizzazione inversa ovvero quando il potenziale anodo è minore del potenziale catodo. In questo caso il flusso di corrente è quasi totalmente bloccato. Abbiamo lo stesso una piccola corrente inversa I₀, che nella maggior parte dei casi è trascurabile (si parla di nA-μA). Il diodo riesce a “sopravvivere” in questa condizione fino al raggiungimento di una tensione di rottura V_z (detta anche V_BR tensione di breakdown), superata la quale il diodo finisce nella zona di breakdown danneggiandosi in modo permanente.

UTILIZZI

I diodi vengono impiegati in regimi continui come dispositivi di protezione per imporre il verso della corrente ed evitare la possibilità di guasti in caso di inversione di polarità. In regimi di alimentazioni AC possono invece esser utilizzati per modificare le forme d’onda: i principali responsabili delle trasformazioni da alimentazioni AC a DC.

DATASHEET

Di seguito viene riportato il datasheet dei diodi della famiglia 1N400X. Notiamo come i vari modelli si differenzino principalmente solo sulla base dell’isolamento e quindi sulla capacità di supportare picchi di tensione inversa.

TIPOLOGIE DI DIODO

Diodo a Giunzione PN: È il tipo di diodo a giunzione più comune. È costituito da un materiale semiconduttore di tipo P e uno di tipo N, con una giunzione tra di essi. Questi diodi conducono la corrente quando sono polarizzati in avanti (direzione della corrente consentita) e impediscono il flusso di corrente quando sono polarizzati inversamente.

Diodo Zener: Questo tipo di diodo è progettato per funzionare in polarizzazione inversa oltre la tensione di breakdown, nota come tensione di Zener. Quando la tensione inversa raggiunge la tensione di Zener, il diodo Zener inizia a condurre in modo controllato, mantenendo una tensione costante ai suoi terminali.

Diodo Schottky: Questo diodo sfrutta la giunzione tra un metallo e un materiale semiconduttore. Ha una caduta di tensione in avanti più bassa rispetto ai diodi PN tradizionali, rendendolo adatto a velocità di commutazione elevate e applicazioni ad alta frequenza.

Diodo LED (Light Emitting Diode): È un diodo che emette luce quando viene attraversato da corrente. La luce emessa dipende dal materiale semiconduttore utilizzato e trova applicazione in display, segnalazioni luminose e illuminazione.

Diodo Fotodiodo: Questo diodo è ottimizzato per rilevare la luce. La luce incidente sulla giunzione PN genera una corrente, che può essere misurata e utilizzata per applicazioni di rilevamento ottico.

Applicazioni e Campi di Utilizzo

I diodi a giunzione sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni dell’elettronica e dell’elettrotecnica. Alcuni esempi includono:

Raddrizzamento: I diodi a giunzione vengono impiegati per convertire l’energia alternata in energia continua attraverso il processo di raddrizzamento. Questo è fondamentale in fonti di alimentazione e dispositivi elettronici.

Clipping e Clamping: I diodi vengono utilizzati per tagliare o limitare le tensioni di un segnale, nonché per stabilizzare la tensione di un segnale attraverso circuiti di clamping.

Protezione ESD (Electrostatic Discharge): I diodi sono utilizzati per proteggere i circuiti elettronici da scariche elettrostatiche dannose, garantendo che la tensione non superi livelli critici.

Generazione di Luce: I diodi LED sono fondamentali nell’illuminazione a LED, nei display a LED e in altre applicazioni in cui la luce è richiesta in modo efficiente.

Rilevamento di Luce: I diodi fotodiodo trovano impiego in sensori di luminosità ambientale, fotocellule e applicazioni di rilevamento ottico.

Approfondisci altri dettagli nell’articolo: Diodo: caratteristiche (approfondimento)