Elettronica/Diodi

Diodi

Un diodo è un componente elettronico non lineare che permette il passaggio unidirezionale della corrente.

I due estremi si chiamano anodo e catodo e corrispondono rispettivamente al punto di ingresso e di uscita della corrente. Questo componente è costituito da una giunzione a semiconduttore in cui le due parti sono drogate in maniera diversa:

1) L'anodo è drogato di tipo P, ovvero con degli ioni, detti accettori, che acquisiscono gli elettroni lasciando delle lacune nella banda di valenza del cristallo

2) Il catodo è drogato di tipo N, ovvero con degli ioni, detti donatori, che cedono elettroni al cristallo accrescendo la popolazione elettronica della banda di conduzione.

Le due parti del diodo quindi hanno una concentrazione diversa di elettroni e lacune il che comporta una diffusione di questi portatori di carica all'interno del cristallo e tra le due parti. Questo processo che si innesca a partire dal centro causa una "scopertura" degli ioni nella zona di confine che pian piano arresta la migrazione di portatori a causa del campo elettrico indotto. In questa zona centrale quindi si genera una zona svuotata di portatori che costituisce una barriera di potenziale per gli stessi. Questa barriera di potenziale causa il cosiddetto potenziale di built-it che si manifesta come una tensione di "ginocchio" nella caratteristica I-V del diodo. Generalmente per i diodi al silicio questa tensione corrisponde a circa 0,6V. Quando un diodo viene polarizzato direttamente (tensione positiva all'anodo e tensione negativa al catodo), questa barriera di potenziale viene abbattuta dal campo elettrico indotto e la migrazione di portatori può riprendere. Questa migrazione è forte di due contributi: la deriva, dovuta al trascinamento da parte del campo elettrico indotto, e la diffusione, dovuta ai gradienti di concentrazione di portatori tra le due zone. Questi fenomeni, che affondano la loro origine nella meccanica quantistica, possono essere descritti dal modello semplificato detto appunto Modello di deriva - diffusione (o Drift - Diffusion) ricavabile dalla più generale equazione di Liouville che riguarda la meccanica di un insieme sparso di corpi. A partire dal modello di deriva diffusione è poi possibile ricavare l'equazione del diodo ideale di Shockley:

$I_{D}=I_{s}\left({e^{qV_{D} \over nkT}-1}\right)$

con

• I_D intensità di corrente che attraversa il diodo;
• V_D differenza di potenziale tra i due terminali;
• I₀ intensità di corrente di saturazione, un fattore proporzionale che dipende dalle caratteristiche costruttive del diodo, direttamente proporzionale alla superficie della giunzione p-n, assumente quindi valori variabili tra i 10^-10, quando le dimensioni del diodo sono grandi, ed i 10^-15, quando le dimensioni del diodo sono piccole;
• q carica elementare di 1 elettrone( pari a $1,6x10^{-19}C$;
• k Costante di Boltzmann;
• T temperatura assoluta sulla superficie di giunzione tra le zone p ed n misurata in Kelvin;
• n coefficiente di emissione, anch'esso dipendente dal processo di fabbricazione e spesso omesso perché approssimato a 1 (ma che potrebbe ipoteticamente variare fino a 2).

Graficando questa funzione si ottiene la curva I - V del dispositivo:

Applicazioni dei diodi

I diodi vengono applicati praticamente ovunque in qualunque campo dell'elettronica, dalle radio frequenze fino all'elettronica di potenza. Ad esempio nelle radio i diodi sono i componenti principali dei rivelatori di inviluppo e dei mixer passivi oppure possono essere usati come capacità variabili (i cosiddetti diodi varicap) o come resistenze negative negli oscillatori (i diodi tunnel). Nell'elettronica di potenza servono come elementi di base dei raddrizzatori e fungono da elementi di protezione degli interruttori di potenza (transistor e IGBT). I diodi Zener sono usati come riferimenti di tensione e anch'essi come dispositivi di protezione che livellano eventuali sovratensioni nei nodi delicati. I diodi possono essere anche utilizzati come sensori di temperatura, sebbene la non linearità della dipendenza dalla temperatura ne comporti un ristretto range di utilizzo.