Diodo a giunzione PN

L’effetto descritto nell’esercitazione precedente si ottiene senza applicare alcuna tensione esterna alla giunzione PN vera e propria, con il risultato che la giunzione è in uno stato di equilibrio.

Tuttavia, se dovessimo fare dei collegamenti elettrici alle estremità di entrambi i materiali di tipo N e di tipo P e poi collegarli a una fonte di batteria, ora esiste una fonte di energia aggiuntiva per superare la barriera di potenziale.

L’effetto dell’aggiunta di questa fonte di energia aggiuntiva fa sì che gli elettroni liberi possano attraversare la regione di deplezione da un lato all’altro. Il comportamento della giunzione PN rispetto alla larghezza della barriera di potenziale produce un dispositivo a due terminali a conduzione asimmetrica, meglio conosciuto come diodo a giunzione PN.

Un diodo a giunzione PN è uno dei dispositivi a semiconduttore più semplici in circolazione, e che ha la caratteristica di far passare la corrente in una sola direzione. Tuttavia, a differenza di un resistore, un diodo non si comporta linearmente rispetto alla tensione applicata in quanto il diodo ha una relazione esponenziale corrente-tensione ( I-V ) e quindi non possiamo descrivere il suo funzionamento usando semplicemente un’equazione come la legge di Ohm.

Se un’adeguata tensione positiva (polarizzazione in avanti) viene applicata tra le due estremità della giunzione PN, essa può fornire agli elettroni liberi e ai buchi l’energia extra di cui hanno bisogno per attraversare la giunzione mentre la larghezza dello strato di esaurimento intorno alla giunzione PN diminuisce.

Applicando una tensione negativa (polarizzazione inversa) le cariche libere vengono allontanate dalla giunzione con conseguente aumento della larghezza dello strato di esaurimento. Questo ha l’effetto di aumentare o diminuire la resistenza effettiva della giunzione stessa permettendo o bloccando il flusso di corrente attraverso i diodi pn-giunzione.

Quindi lo strato di depletione si allarga con un aumento nell’applicazione di una tensione inversa e si restringe con un aumento nell’applicazione di una tensione in avanti. Ciò è dovuto alle differenze nelle proprietà elettriche sui due lati della giunzione PN che portano a cambiamenti fisici. Uno dei risultati produce la rettificazione come si vede nelle caratteristiche statiche I-V (corrente-tensione) dei diodi a giunzione PN. La rettificazione è mostrata da un flusso di corrente asimmetrico quando la polarità della tensione di polarizzazione è alterata come mostrato qui sotto.

Simbolo del diodo a giunzione e caratteristiche statiche I-V

Ma prima di poter usare la giunzione PN come un dispositivo pratico o come un dispositivo di rettificazione dobbiamo prima polarizzare la giunzione, cioè collegare un potenziale di tensione attraverso essa. Sull’asse della tensione qui sopra, “Reverse Bias” si riferisce a un potenziale di tensione esterna che aumenta la barriera di potenziale. Una tensione esterna che diminuisce la barriera di potenziale si dice che agisce nella direzione di “Forward Bias”.

Ci sono due regioni operative e tre possibili condizioni di “bias” per il diodo di giunzione standard e queste sono:

• 1. Bias zero – Nessun potenziale di tensione esterna Zero Bias – Nessun potenziale di tensione esterna è applicato al diodo a giunzione PN.
• 2. Bias inversa – Il potenziale di tensione è collegato negativamente (-ve) al materiale di tipo P e positivo (+ve) al materiale di tipo N attraverso il diodo che ha l’effetto di aumentare l’ampiezza del diodo a giunzione PN.
• 3. Forward Bias – Il potenziale di tensione è collegato positivamente (+ve) al materiale di tipo P e negativamente (-ve) al materiale di tipo N attraverso il diodo che ha l’effetto di diminuire la larghezza del diodo a giunzione PN.

Diodo a giunzione a Bias Zero

Quando un diodo è collegato in condizione di Bias Zero, nessuna energia potenziale esterna è applicata alla giunzione PN. Tuttavia, se i terminali dei diodi sono cortocircuitati insieme, alcuni buchi (portatori di maggioranza) nel materiale di tipo P con abbastanza energia per superare la barriera di potenziale si muoveranno attraverso la giunzione contro questo potenziale di barriera. Questo è noto come “corrente diretta” ed è indicato come IF

Allo stesso modo, i buchi generati nel materiale di tipo N (portatori minoritari), trovano questa situazione favorevole e si muovono attraverso la giunzione nella direzione opposta. Questo è noto come “corrente inversa” e viene indicato come IR. Questo trasferimento di elettroni e buchi avanti e indietro attraverso la giunzione PN è conosciuto come diffusione, come mostrato qui sotto.

Diodo a giunzione PN a polarizzazione zero

La barriera di potenziale che ora esiste scoraggia la diffusione di altri portatori di maggioranza attraverso la giunzione. Tuttavia, la barriera di potenziale aiuta i portatori di minoranza (pochi elettroni liberi nella regione P e pochi buchi nella regione N) ad attraversare la giunzione.

Allora si stabilisce un “equilibrio” o bilanciamento quando i portatori di maggioranza sono uguali ed entrambi si muovono in direzioni opposte, così che il risultato netto è zero corrente che scorre nel circuito. Quando questo si verifica la giunzione si dice che è in uno stato di “Equilibrio Dinamico”.

I portatori di minoranza sono costantemente generati a causa dell’energia termica quindi questo stato di equilibrio può essere rotto aumentando la temperatura della giunzione PN causando un aumento nella generazione di portatori di minoranza, con conseguente aumento della corrente di perdita, ma una corrente elettrica non può fluire poiché nessun circuito è stato collegato alla giunzione PN.

Diodo a giunzione PN a polarizzazione inversa

Quando un diodo è collegato in condizione di polarizzazione inversa, una tensione positiva è applicata al materiale di tipo N e una tensione negativa è applicata al materiale di tipo P.

La tensione positiva applicata al materiale di tipo N attira gli elettroni verso l’elettrodo positivo e lontano dalla giunzione, mentre i buchi nell’estremità di tipo P sono anch’essi attirati lontano dalla giunzione verso l’elettrodo negativo.

Il risultato netto è che lo strato di esaurimento si allarga a causa della mancanza di elettroni e buchi e presenta un percorso ad alta impedenza, quasi un isolante e una barriera ad alto potenziale si crea attraverso la giunzione impedendo così alla corrente di fluire attraverso il materiale semiconduttore.

Aumento dello strato di esaurimento dovuto alla polarizzazione inversa

Questa condizione rappresenta un alto valore di resistenza alla giunzione PN e praticamente zero corrente scorre attraverso il diodo di giunzione con un aumento della tensione di polarizzazione. Tuttavia, una piccolissima corrente di perdita inversa scorre attraverso la giunzione che può essere normalmente misurata in micro-ampere, ( μA ).

Un ultimo punto, se la tensione di polarizzazione inversa Vr applicata al diodo è aumentata a un valore sufficientemente alto, causerà il surriscaldamento della giunzione PN del diodo e il fallimento a causa dell’effetto valanga intorno alla giunzione. Questo può causare il cortocircuito del diodo e comportare il flusso della massima corrente di circuito, e questo è mostrato come un gradino verso il basso nella curva delle caratteristiche statiche inverse qui sotto.

Curva delle caratteristiche inverse per un diodo a giunzione

A volte questo effetto valanga ha applicazioni pratiche nei circuiti di stabilizzazione della tensione dove un resistore di limitazione in serie è usato con il diodo per limitare questa corrente di rottura inversa ad un valore massimo prestabilito producendo così una tensione fissa in uscita attraverso il diodo. Questi tipi di diodi sono comunemente noti come diodi Zener e sono discussi in un tutorial successivo.

Diodo a giunzione PN a polarizzazione diretta

Quando un diodo è collegato in una condizione di polarizzazione diretta, una tensione negativa è applicata al materiale di tipo N e una tensione positiva è applicata al materiale di tipo P. Se questa tensione esterna diventa maggiore del valore della barriera di potenziale, circa 0,7 volt per il silicio e 0,3 volt per il germanio, l’opposizione delle barriere di potenziale sarà superata e la corrente comincerà a scorrere.

Questo perché la tensione negativa spinge o respinge gli elettroni verso la giunzione dando loro l’energia per attraversare e combinarsi con i fori spinti in direzione opposta verso la giunzione dalla tensione positiva. Questo si traduce in una curva caratteristica di zero corrente che scorre fino a questo punto di tensione, chiamato il “ginocchio” sulle curve statiche e poi un flusso di corrente elevato attraverso il diodo con poco aumento della tensione esterna, come mostrato di seguito.

Curva delle caratteristiche in avanti per un diodo a giunzione

L’applicazione di una tensione di polarizzazione in avanti sul diodo a giunzione fa sì che lo strato di deplezione diventi molto sottile e stretto, il che rappresenta un percorso a bassa impedenza attraverso la giunzione, permettendo così il flusso di correnti elevate. Il punto in cui avviene questo improvviso aumento di corrente è rappresentato sulla curva statica delle caratteristiche I-V sopra come il punto di “ginocchio”.

Riduzione dello strato di depletione dovuto alla polarizzazione in avanti

Questa condizione rappresenta il percorso a bassa resistenza attraverso la giunzione PN che permette a correnti molto grandi di scorrere attraverso il diodo con solo un piccolo aumento della tensione di polarizzazione. La differenza di potenziale effettiva attraverso la giunzione o il diodo è mantenuta costante dall’azione dello strato di esaurimento a circa 0,3v per il germanio e circa 0,7v per i diodi a giunzione di silicio.

Siccome il diodo può condurre una corrente “infinita” al di sopra di questo punto di ginocchio, poiché diventa effettivamente un corto circuito, si usano resistenze in serie al diodo per limitare il suo flusso di corrente. Il superamento delle sue specifiche massime di corrente in avanti fa sì che il dispositivo dissipi più potenza sotto forma di calore di quella per cui è stato progettato, causando un guasto molto rapido del dispositivo.

Riassunto del diodo a giunzione

La regione di giunzione PN di un diodo a giunzione ha le seguenti importanti caratteristiche:

• I semiconduttori contengono due tipi di portatori di carica mobili, “buchi” ed “elettroni”.
• I buchi sono caricati positivamente mentre gli elettroni negativamente.
• Un semiconduttore può essere drogato con impurità donatrici come l’antimonio (drogaggio di tipo N), in modo da contenere cariche mobili che sono principalmente elettroni.
• Un semiconduttore può essere drogato con impurità accettore come il boro (drogaggio di tipo P), in modo da contenere cariche mobili che sono principalmente buchi.
• La regione di giunzione stessa non ha portatori di carica ed è nota come regione di esaurimento.
• La regione di giunzione (esaurimento) ha uno spessore fisico che varia con la tensione applicata.
• Quando un diodo è a polarizzazione zero non viene applicata alcuna fonte di energia esterna e si sviluppa una barriera di potenziale naturale attraverso uno strato di esaurimento che è approssimativamente da 0. 5 a 0,7v per il silicio.5 a 0.7v per i diodi al silicio e circa 0.3 di un volt per i diodi al germanio.
• Quando un diodo a giunzione è Forward Biased lo spessore della regione di deplezione si riduce e il diodo si comporta come un cortocircuito permettendo alla corrente di pieno circuito di fluire.
• Quando un diodo a giunzione è Reverse Biased lo spessore della regione di deplezione aumenta e il diodo si comporta come un circuito aperto bloccando qualsiasi flusso di corrente, (solo una corrente di dispersione molto piccola fluirà).

Abbiamo anche visto sopra che il diodo è un dispositivo non lineare a due terminali le cui caratteristiche I-V sono dipendenti dalla polarità, poiché a seconda della polarità della tensione applicata, VD il diodo è sia Forward Biased, VD > 0 o Reverse Biased, VD < 0. In entrambi i casi possiamo modellare queste caratteristiche corrente-tensione sia per un diodo ideale che per un diodo al silicio reale come mostrato:

Caratteristiche ideali e reali del diodo a giunzione

Nel prossimo tutorial sui diodi, esamineremo il piccolo diodo di segnale, talvolta chiamato diodo di commutazione, usato nei circuiti elettronici generali. Come implica il suo nome, il diodo di segnale è progettato per applicazioni di segnali a bassa tensione o ad alta frequenza, come nei circuiti di commutazione radio o digitali.

I diodi di segnale, come l’1N4148, passano solo correnti elettriche molto piccole, al contrario dei diodi di rettificazione di rete ad alta corrente in cui sono solitamente utilizzati i diodi al silicio. Anche nel prossimo tutorial esamineremo la curva delle caratteristiche statiche corrente-tensione e i parametri del diodo di segnale.