Corso di Elettronica per ragazzi – Puntata 26

Nella precedente puntata, abbiamo fatto un ripasso sulla giunzione p-n polarizzata direttamente e inversamente, e abbiamo descritto il funzionamento del diodo a giunzione polarizzato direttamente di cui abbiamo spiegato il significato dell’equazione del diodo, ossia la relazione corrente-tensione. Infine, abbiamo anche visto come determinare graficamente il punto di lavoro del diodo mediante il tracciamento della retta di carico su un piano di coordinate cartesiane. In questa nuova puntata, proseguiremo lo studio del diodo a giunzione esplorando il suo funzionamento nella zona di polarizzazione inversa. Completeremo la puntata introducendo l’analisi del funzionamento del diodo Zener.

Introduzione - Il diodo in polarizzazione inversa

Prima di andare ad approfondire il comportamento del diodo a giunzione nella zona di polarizzazione inversa, è utile fare un riepilogo introduttivo su questo argomento che abbiamo trattato nella puntata precedente. In Figura 1 viene riportato il grafico dell’andamento della corrente in funzione della tensione in un diodo reale, ossia con resistenza interna non nulla.

Figura 1: Andamento della corrente in funzione della tensione in un diodo reale

Il grafico di Figura 1 mostra le zone di funzionamento del diodo polarizzato direttamente e inversamente. Nella zona di polarizzazione inversa si noti il basso valore della corrente ID, che scorre nel diodo in direzione opposta alla corrente diretta della zona a polarizzazione diretta. Ancora nella puntata precedente, abbiamo spiegato e dimostrato analiticamente (rivedi l’argomento sull’equazione del diodo) che quando il diodo è polarizzato inversamente, ovvero la tensione fra anodo e catodo del diodo è negativa (VD<0), nel diodo fluisce solo la bassa corrente chiamata corrente di saturazione inversa.

Quindi, applicando ai capi del diodo una tensione inversa, cioè collegando il morsetto negativo della batteria all’anodo e il morsetto positivo al catodo, si crea una corrente che, fino a certi valori di tensione inversa, è quasi irrilevante. Se la tensione inversa supera un determinato valore critico, avviene un importante fenomeno chiamato moltiplicazione a valanga, che in gergo tecnico inglese è noto come breakdown, in cui la corrente inversa può assumere valori elevati.

Ma come avviene la moltiplicazione a valanga in un diodo?

Da quanto detto in varie puntate precedenti, i portatori di carica minoritari generati per effetto termico (che costituiscono la corrente di saturazione inversa), mediante la tensione inversa applicata alla giunzione, superano la barriera di potenziale e vanno a scontrarsi con gli ioni dislocati in corrispondenza della giunzione. Dopo la collisione, in ogni reticolo cristallino degli ioni si spezza il legame covalente per effetto dell’energia dei portatori di carica, creando così nuove coppie lacuna-elettrone che vanno a sommarsi ai portatori di carica preesistenti. Il processo di generazione di nuovi portatori di carica per effetto della collisione e conseguente rottura dei legami covalenti degli ioni produce a sua volta la generazione ripetitiva di ulteriori portatori di carica, ossia avviene la moltiplicazione a valanga (o breakdown a valanga) dei portatori di carica, che provoca la formazione di una corrente inversa elevata che attraversa la giunzione.

Il diodo Zener

I normali diodi hanno bisogno di elevate tensioni inverse per scatenare il processo di moltiplicazione a valanga. Esiste un altro metodo per provocare il breakdown che non implica la collisione di portatori di carica minoritari con gli ioni, che invece avviene nel caso della moltiplicazione a valanga. La moltiplicazione a valanga senza collisione si basa sulla realizzazione di speciali diodi drogati con forti dosi d’impurità. L’elevata concentrazione d’impurità crea un notevole accumulo di cariche elettriche fisse, gli ioni appunto, in prossimità della giunzione, rispetto al normale drogaggio e, di conseguenza, una forte intensità di campo elettrico agli estremi della giunzione. In questa situazione, basta una minima tensione inversa applicata ai capi della giunzione per generare la rottura dei legami covalenti e quindi la formazione di nuove cariche elettriche libere che costituiscono la corrente di breakdown di Zener. Questo tipo di diodo prodotto appositamente con un forte drogaggio è chiamato diodo Zener.

La Figura 2 mostra il grafico della caratteristica corrente-tensione in cui nella zona di polarizzazione inversa viene confrontato l’andamento della corrente inversa di breakdown a valanga con quello di breakdown di Zener.

Figura 2: Confronto dell’andamento della corrente inversa di breakdown a valanga con il breakdown di Zener

Nel grafico di Figura 2, il simbolo VBV rappresenta la tensione di breakdown nel caso di moltiplicazione a valanga, mentre VZ è la tensione di breakdown di Zener. In corrispondenza di questi valori di tensione avviene il processo di rottura dei legami covalenti e la generazione di una corrente inversa elevata. Si noti che occorre una tensione abbastanza più grande nel diodo a valanga per scatenare il breakdown rispetto al diodo Zener. Inoltre, l’andamento della corrente inversa è più ripido nel diodo Zener, il che significa notevoli correnti per un determinato valore di Vz. Il diodo Zener viene prodotto per sopportare potenze più grandi rispetto ai normali diodi. La tensione VZ è la caduta di tensione ai capi del diodo Zener che si può considerare costante ed esatta per qualsiasi valore di corrente, ovviamente nei limiti specificati dalla scheda tecnica del costruttore. Questa caratteristica indica che il diodo Zener può essere utilizzato come semplice regolatore di tensione che mantiene costante la tensione al variare della corrente fluente in un carico o per variazioni della tensione d’ingresso. La Figura 3 mostra il diodo Zener inserito in un semplice circuito.

Figura 3: Circuito con un diodo Zener

Nel diodo Zener, quindi nel circuito, scorre la corrente Iz e ai suoi capi è presente la tensione Vz. Notiamo che, a differenza dei normali diodi, la corrente Iz fluisce dal catodo all’anodo e la tensione Vz ha segno positivo sul catodo. Il resistore R ha la funzione di limitare la corrente nello Zener; quindi nel resistore R avviene una caduta di tensione VR=R*Iz.

Applicando la legge di Kirchhoff delle tensioni (LKV) possiamo calcolare la corrente Iz:

V-R*Iz-Vz=0

R*Iz=V-Vz

Iz=(V-Vz)/R

Quindi, da questi calcoli deduciamo che la corrente nel diodo Zener è determinata dal valore della resistenza del resistore R.

Ora, ipotizzando che il valore di resistenza del resistore R sia di 2000 ohm, che la batteria sia di 12 V e che il diodo Zener abbia una tensione nominale Vz di 5 V, sostituendo questi valori nella formula di Iz otteniamo la corrente Iz che scorre nel diodo Zener.

Iz=(12-5)/2000=7/2000=0,0035 A=3,5 mA

Quindi, scegliendo un resistore da 2000 ohm, la corrente nel diodo Zener è limitata a 35 mA. Se scegliessimo un resistore da 1000 ohm, considerando che lo Zener ha ai suoi capi una tensione fissata a 5 V, la corrente sarà calcolata così:

Iz=(12-5)/1000=7/1000=0,007 A=7 mA

La tensione di Zener Vz resta stabilmente al suo valore nominale anche se vi scorre una corrente doppia.

Ovviamente, questo è un semplice esempio in cui al circuito non è collegato un carico e, inoltre, si ipotizza che in ingresso si colleghi una batteria che non si scarichi mai e quindi che la sua tensione non vari.

La corrente minima e massima del diodo Zener

Precedentemente, abbiamo detto che la tensione Vz è costante per qualsiasi corrente che scorre nello Zener, come sembrerebbe osservando l’andamento quasi verticale della corrente di breakdown di Zener nel grafico di Figura 2. In realtà, non è così, la corrente di Zener deve rientrare in uno specificato range di valori da un minimo ad un massimo, come ora spiegheremo con il grafico della caratteristica corrente-tensione riportato in Figura 4. In questo grafico è indicata la corrente di ginocchio Izk, ossia la corrente minima da cui inizia il breakdown dello Zener. La tensione di Zener in corrispondenza della corrente di ginocchio Izk è indicata con Vzk. Il valore di Vzk non è indicato nei datasheet, anche perché è consigliabile far funzionare il diodo Zener con correnti sufficientemente superiori a Izk.

Figura 4: Caratteristica corrente-tensione in cui è indicata la corrente di ginocchio Izk di inizio breakdown Zener

Nel grafico di Figura 4, nella curva breakdown Zener, con Izk abbiamo chiarito graficamente che Izk è la corrente minima di breakdown dello Zener da cui è possibile utilizzare il diodo Zener. Non sempre viene indicata nei datasheet del costruttore la corrente Izk. Ma, ad esempio, nella tabella del datasheet dei diodi Zener della famiglia 1N4728A - 1N4758A della Fairchild riportata nella Figura 5, viene specificato il valore di Izk nell’elenco delle caratteristiche elettriche.

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