Nella precedente puntata del corso abbiamo continuato a trattare il diodo a semiconduttore, descrivendo il funzionamento della giunzione p-n a circuito aperto, il processo di diffusione dei portatori maggioritari e minoritari, e la formazione della regione di carica spaziale. Inoltre, abbiamo spiegato il funzionamento in polarizzazione diretta e in polarizzazione inversa della giunzione p-n a circuito chiuso, dimostrando che la corrente può scorrere solo in un verso, dalla zona p alla zona n, quando la giunzione è polarizzata direttamente, mentre se la giunzione è polarizzata inversamente scorre solo una piccola corrente nella direzione opposta, dalla zona n alla zona p. In questa nuova puntata del corso, approfondiremo lo studio del diodo iniziando con un breve riepilogo della giunzione p-n a circuito chiuso, poi tratteremo la relazione corrente-tensione del diodo e, infine, vedremo come determinare il punto di lavoro del diodo graficamente mediante la retta di carico.
Introduzione: Un riepilogo sulla polarizzazione della giunzione p-n
Per meglio comprendere il nuovo argomento sul diodo a giunzione, riteniamo utile riepilogare sinteticamente il funzionamento della giunzione p-n a circuito chiuso polarizzata direttamente e inversamente, argomento che abbiamo affrontato nella precedente puntata 24 del corso nel paragrafo “Funzionamento della giunzione p-n a circuito chiuso”.
Polarizzazione diretta della giunzione p-n
Della giunzione p-n polarizzata direttamente, il cui schema è riportato in Figura 1, analizziamo le correnti che l’attraversano indicate con il loro verso:
Figura 1: Polarizzazione diretta della giunzione p-n
La corrente totale I che circola nel circuito è formata dalla corrente di diffusione ID e dalla corrente di saturazione inversa IR di direzione contraria alla ID. Sono indicati anche i versi del campo elettrico E presente sulla giunzione, e della tensione V della batteria. Nella polarizzazione diretta della giunzione, la tensione V della batteria influisce sul potenziale della giunzione ove agisce anche il campo elettrico E. Infatti, dato che i versi della tensione della batteria V e del campo elettrico E sono discordi, la tensione totale che interessa la giunzione è la differenza fra la tensione V e la tensione E, ovvero Vtot=E-V.
Quando il valore della tensione V supera il valore della tensione del campo elettrico E, ovvero della barriera di potenziale, la tensione risultante applicata agli estremi della regione di carica spaziale favorisce l’incremento del flusso della corrente di diffusione ID dei portatori maggioritari di tipo p diretti verso la zona n della giunzione. In questa situazione, ciò che è importante sottolineare è che se viene applicata una tensione V della batteria di valore tale da superare il potenziale del campo elettrico E, la barriera di potenziale si annulla completamente consentendo il passaggio della massima corrente ID attraverso la giunzione, di conseguenza la giunzione p-n si comporta come un conduttore di resistenza nulla (idealmente).
Abbiamo detto sopra che la corrente I che scorre nel circuito, oltre alla corrente di diffusione ID, è costituita anche dalla corrente di saturazione inversa IR, di verso opposto alla ID. Generata da energia termica, la IR è una corrente molto bassa formata da portatori minoritari, lacune dirette dalla zona n alla zona p ed elettroni diretti dalla zona p alla zona n. La corrente I che scorre nel circuito può essere espressa dalla relazione I=ID-IR≈ID, considerando che ID è di diversi ordini di grandezza maggiore della corrente di saturazione inversa IR.
Polarizzazione inversa della giunzione p-n
La Figura 2 mostra la giunzione a circuito chiuso polarizzata inversamente.
Figura 2: Polarizzazione inversa della giunzione p-n
Notiamo che in questo circuito in cui la giunzione è polarizzata inversamente, la tensione V della batteria ha verso concorde al verso del campo elettrico E presente agli estremi della regione di carica spaziale. Quindi, la tensione totale che interessa la giunzione corrisponde alla somma della tensione V della batteria con la tensione del campo elettrico E, ossia Vtot=E+V.
Ciò significa che la differenza di potenziale agli estremi della giunzione risulta aumentata esattamente del valore di tensione V causando un ampliamento della regione di carica spaziale, che a sua volta tende a frenare il flusso della corrente di diffusione ID. Quando la corrente di diffusione ID=0, la corrente I nel circuito equivale alla corrente di saturazione inversa IR, come risulta dalla relazione I= ID-IR=-IR. Considerando che la IR può assumere valori dell’ordine di pochi micro Ampere, la giunzione p-n tende a comportarsi come un elemento isolante.
A conclusione di questo riepilogo, dall’analisi del funzionamento della giunzione p-n a circuito chiuso possiamo dedurre e affermare che il diodo a giunzione lascia passare la corrente solo quando è polarizzato direttamente, mentre la blocca se è polarizzato inversamente.
Relazione corrente-tensione del diodo
Iniziamo premettendo che il diodo non è un componente attivo, ma è un componente passivo non lineare. Si definisce attivo un componente elettronico in grado di erogare energia elettrica come, ad esempio, il transistor e il circuito integrato. Riguardo la non linearità del diodo, a differenza del comportamento lineare del resistore (che come sappiamo è un componente passivo) in cui scorre una corrente proporzionale alla tensione presente ai suoi terminali, la corrente nel diodo non è proporzionale alla tensione ai suoi capi, ma ha un andamento esponenziale. In Figura 3 sono mostrati i grafici della corrente in funzione della tensione: il grafico (a) mostra l’andamento lineare della corrente in un resistore, mentre il grafico in (b) è l’andamento esponenziale della corrente in un diodo reale.
Figura 3: Andamento della corrente in funzione della tensione in un resistore (a) e in un diodo (b)
Nella Figura 3, il grafico (b) rappresenta la caratteristica corrente-tensione di un diodo a giunzione reale. Il quadrante ID | VD del grafico descrive l’andamento esponenziale della corrente che scorre nel diodo quando è polarizzato direttamente, mentre nel quadrante –ID | -VD il diodo è polarizzato inversamente e si può rilevare il basso valore (negativo) della corrente fluente nel diodo. Possiamo esprimere con l’equazione del diodo riportata in Figura 4 l’andamento effettivamente esponenziale della corrente ID nel diodo:
Figura 4: Equazione del diodo
In cui:
• IR è l'intensità di corrente di saturazione inversa
• ID è l'intensità di corrente che scorre nel diodo polarizzato direttamente
• VD è la differenza di potenziale ai terminali del diodo
• VT=KB*T/q è la tensione termica (alla temperatura ambiente di circa 25 °C, VT≈26 mV) in cui:
KB è la costante di Boltzmann espressa in Joule su gradi Kelvin: KB=1,3806488*10-23 J/K
T è la temperatura assoluta misurata sulla superficie della giunzione p-n
q è la carica elementare che corrisponde al quanto di carica elettrica indicato con la lettera “e”; l'unità di misura è il coulomb: e=1,60217634 * 10-19 C
• n è un fattore che si applica nell’equazione del diodo reale per tener conto delle imperfezioni della giunzione p-n; n=1 per i diodi al germanio, n=2 per i diodi al silicio. Nel diodo ideale si considera n=1, quindi non appare nell’equazione.
Dall’equazione di ID rileviamo che la corrente, oltre alla tensione VD, dipende dalla temperatura che influisce proprio sulla VD. Inoltre, come abbiamo visto nella precedente puntata, anche la corrente di saturazione inversa IR dipende dalla temperatura, ma è anche direttamente proporzionale alla superficie della giunzione p-n. Il valore di IR può essere di pochi pico ampere (pA) fino a decine di micro ampere (µA).
Inoltre, si consideri, come è stato anche sperimentato, che anche il valore di tensione VD varia con la temperatura nella misura di circa -2,5 mV/°C, ovvero, per ogni aumento di temperatura di 1 °C la tensione VD diminuisce di 2,5 mV. Il grafico riportato in Figura 5, estratto dal datasheet del diodo 1N4148 della ONSEMI, mostra la dipendenza dalla temperatura ambiente della tensione diretta del diodo per diversi valori della corrente diretta.
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