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Vɣ

DIODO A SEMICONDUTTORE un conduttore è una sostanza in cui una carica elettrica può scorrere facilmente. Nei conduttori, già a temperatura ambiente gli elettroni sono liberi di muoversi. I conduttori sono caratterizzati di: 1) Una resistività molto piccola (ρ < 10-5Ω.m) e una conduttività molto elevata γ=1/ ρ 2) Avere atomi con meno di 4 elettroni nel livello più esterno di valenza. “La valenza indica il numero di elettroni che un atomo guadagna, perde o mette in comune quando forma legami con altri atomi”. Un isolante è una sostanza in cui una carica elettrica non scorre facilmente. La plastica e la gomma sono buoni isolanti perché gli elettroni nei loro atomi hanno poca libertà, perciò non si trasferiscono con facilità da un atomo all'altro. Alcuni di questi materiali sono impiegati per isolare i fili conduttori o le macchine elettriche. I SEMICONDUTTORI I semiconduttori sono sostanze di natura cristallina che presentano una conduttività elettrica intermedia tra quella dei conduttori metallici e quella degli isolanti; all’opposto di quanto avviene negli isolanti, nei semiconduttori la conduttività aumenta con l’aumentare della temperatura e può essere aumentata con l’aggiunta di piccole quantità di sostanze chimiche. I semiconduttori puri si dicono intrinseci. TIPI DI SEMICONDUTTORI I materiali che possiedono proprietà di semiconduttori sono elementi quali il silicio (Si), il germanio (Ge), e l'arseniuro di gallio (GaAs). La temperatura di lavoro del Ge è fino a 90° C invece il Si, fino a 200° C STRUTTURA ATOMICA DEI SEMICONDUTTORI I semiconduttori come il silicio o il germanio hanno 4 elettroni di valenza (tetravalenti) che, vengono condivisi con quattro atomi circostanti formando legami covalenti, ottenendo così, una struttura a forma cristallina. DROGAGGIO (DOPING) DEI SEMICONDUTTORI Il semiconduttore a temperatura ambiente (25° C) si presenta, come un debole conduttore. Per modificare la propria conducibilità si effettua il cosiddetto drogaggio: vengono inserite nel cristallo quantità controllate di impurità di un elemento a valenza diversa. Le impurità sono sostanze chimiche che possono essere:

• trivalenti (3 elettroni di legame), come l’alluminio (Al), bario (Ba), Indio (I) o gallio(Ga). • Pentavalenti (5 elettroni di legame), come fosforo (P), arsenico (As)

GIUNZIONE P-N Facendo diffondere in un cristallo puro di Si, da un estremità impurità pentavalente ( detto donatore) ottenendo una zona di tipo N, ricca di cariche negative (elettroni: cariche maggioritarie) e dall’altro impurità trivalente (detto accettore) ottenendo una zona di tipo P, ricca di cariche positive (lacune: cariche maggioritarie). La conducibilità dovuta alle cariche maggioritarie aumenta co la concentrazione del drogante, mentre la conducibilità dovuta alle cariche minoritarie (Lacune nella zona N e elettroni nelle Zona P) aumenta con la temperatura. La superficie di separazione delle due zona è detta giunzione. All’atto della formazione della giunzione, gli elettroni maggioritari della zona N diffondono verso la zona P (corrente di diffusione), dove la concentrazione degli elettroni è minore; lo stesso avviene per le lacune maggioritarie dalla zona P verso quella N.

Materiali Conduttività [S/m]

Isolanti γ < 10-4

semiconduttori 10-4 < γ < 104

Resistori 104 < γ < 107

Conduttori γ > 107

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Questo spostamento e accumulo di cariche provoca la nascita di un campo elettrico (barriera di potenziale) il quale esercita una forza sui portatori, la corrente causata dal campo elettrico è detta corrente di deriva (drift) e ha direzione opposta a quella di diffusione. Alla condizione di equilibrio dinamico, quando, alla corrente di diffusione si oppone una corrente di deriva di uguale intensità e verso opposto, in questa situazione la barriera di potenziale è definita tensione di soglia Vɣ, e in prossimità della giunzione si crea una zona priva di cariche libere (detta zona di svuotamento: depletion layer). La tensione di soglia per il silicio è di 0,65 V approssimata a 0,7V, invece, nel germanio la tensione di soglia è molto più bassa quasi 0,3 V e per questo è più adatto ad essere utilizzato come raddrizzatore (rettificatore). IL DIODO Il diodo è un componente elettronico passivo a due terminali (bipolo) a giunzione P-N, teoricamente con una conducibilità unidirezionale da anodo a catodo.

• Simbolo: Anodo: morsetto positivo Catodo: morsetto negativo

Polarizzazioni del diodo Il principio di funzionamento si basa sulla capacità di trasferimento di elettroni dalla zona P alla zona N, chiamato fenomeno di diffusione, ed a seconda della polarizzazione che gli si applica ai suoi capi. polarizzazione diretta, quando si applica al diodo una tensione esterna con il polo positivo collegato al morsetto positivo (Anodo) del diodo, con un valore maggiore della tensione di soglia del diodo stesso. polarizzazione inversa, il positivo del generatore è collegato al negativo del diodo, e si ha una corrente debolissima dell’ordine del nano ampère (quasi zero), che va dalla zona N a P. in questo caso il diodo è considerato interdetto.

CURVA CARATTERISTICA REALE È la rappresentazione grafica tra la corrente e la tensione. La relazione fra I e V è di tipo esponenziale; la curva non ha un andamento

rettilineo e quindi il diodo è un componente non lineare VT : tensione termica è uguale a 25 mV a 25°C

K: costante di Boltzman, è uguale a 1,3806488*10-23 [J/K] T: temperatura di lavoro, in gradi Kelvin, [K] T(°C) = T(K) - 273,15 0°C = - 273,15 K oppure 0 K = 273,15°C q: quantità di carica, 1,602 x 10-19C η: fattore di correzione è uguale 1 per correnti normali da 10 a 20mA e a 2 per correnti elevati. Quando la tensione diretta è compresa tra 0 e Vɣ = 0,65 V, la corrente è nulla Polarizzazione diretta (direct bias) per V > 0,65 V il diodo conduce e la corrente aumenta notevolmente.

qKTVT

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Polarizzazione inversa (reverse bias) per Vz < V < 0; il diodo è interdetto e si ha una corrente inversa I0

dell’orine del µA, quasi zero. Vz tensione di breakdown , tensione di rottura del diodo, a questa tensione la corrente inversa aumenta bruscamente, provocando la rottura della giunzione. FUNZIONAMENTO E MODELLI APPROSSIMATI DEL DIODO

L'uso della caratteristica non lineare del diodo per la soluzione di circuiti è decisamente poco pratico. Comunemente si ricorre, quindi, a modelli circuitali del diodo.

Modello 1 (diodo ideale): si considera la tensione di soglia Vɣ = 0 V, Il diodo si comporta come un circuito aperto se esternamente si applica tra anodo e catodo, una tensione V < 0 o come un cortocircuito per una tensione positiva V ≥ 0. Modello 2: il diodo assomiglia ad un generatore da 0,7 V, quando è polarizzato direttamente con una tensione V ≥ 0,7 V, e da interruttore aperto in polarizzazione inversa V < 0 . Modello 3: è quello che meglio approssima la curva reale, il diodo assomiglia a interruttore aperto, quando la tensione esterna è V < 0,7 V; per V ≥ 0,7 V, il diodo è paragonato ad un generatore da 0,7V con la propria resistenza interna RD generalmente è inferiore a 1Ω. Applicazioni

• Raddrizzatore o rectifier • Fissatore (Clamper) • Limitatore (Clipper) • Moltiplicatore • Rilevatore di inviluppo • Stabilizzatore

Diodo in corrente alternata Fa passare solo la semionda positiva (se polarizzato direttamente) della sinusoide e blocca la semionda negativa. raddrizzatore o rectifier È usato per trasformare la corrente alternata in corrente continua. Inizialmente il circuito era basata sul germanio, ora sul silicio. Raddrizzatore a semplice semionda

Raddrizzatore a doppia semionda

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Raddrizzatore a ponte di diodi (o a ponte di Graetz) Questa soluzione, molto usata negli alimentatori, rende molto più semplice il successivo filtraggio e livellamento della tensione fino ad ottenere una corrente continua

stabilizzare o regolatore di tensione I diodi Zener, a differenza dei diodi al silicio, non vengono utilizzati per raddrizzare tensioni alternate, ma solamente per stabilizzare tensioni continue. Il diodo in questo caso è polarizzato inversamente. Alimentatore Parametri dei diodi reali diodi raddrizzatori (rectifier diode) – adatti per il raddrizzamento di tensioni anche di elevata entità In tutti i casi, i principali parametri riportati dai data sheet sono: VF : tensione diretta (forward voltage) P potenza (power) – potenza massima dissipabile dal diodo IF,AV corrente diretta media (average forward current) VRM massima tensione inversa (maximum reverse voltage) IL DIODO LED il cui acronimo è Light Emitting Diode, ovvero un diodo ad emissione di luce, è un componente elettronico al silicio, a giunzione P-N.

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I LED possono essere formati da GaAs (arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), AlGaAs (Arseniuro di Alluminio-Gallio). I diodi LED, polarizzati direttamente con una tensione compresa tra 1.5Volt e 3.2Volt, consentono il passaggio di corrente compreso tra 10 e 30 mA all'interno della sua giunzione, emetteranno una luce; A seconda del materiale utilizzato, i LED producono i seguenti colori: AlGaAs - rosso ed infrarosso - GaAlP – verde - blu GaAsP - rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo LED ALIMENTATO IN AC Occorre inserire in parallelo al LED un diodo D1, in modo da proteggerlo dai picchi negativi dell’alimentazione. In AC La distinzione fra Anodo e Catodo non ha nessuna importanza CALCOLO DELLA RESISTENZA DI PROTEZIONE AL DIODO Ora alimentiamo il diodo con corrente continua (DC) e in questo caso è fondamentale rispettare la polarità. Il Catodo(K) va sempre rivolto verso il negativo. Id e Vd sono la corrente e la tensione diretta del diodo, sono valori noti dal costruttore Vcc: tensione di alimentazione R = (Vcc – Vd)/Id Esempio: Vcc=12V, Vd= 2,5 V e Id=15mA R = (12-2,5)/0,015 = 633,33 ohm DIODO SCHOTTY È un diodo costituito da una giunzione tra un metallo e un semiconduttore leggermente drogato. Ha tempi di commutazione inferiori al nanosecondo, è utilizzato nelle applicazioni veloci, di alta frequenza. Ha una bassa tensione di soglia di circa 0,3V FOTODIODO Funziona come trasduttore ottico, che trasforma l’energia luminosa in elettrica. Entra in conduzione solo quando viene colpiti frontalmente da una fonte luminosa. Più e’ forte la luminosità diretta sul diodo, maggiore sarà il passaggio di corrente. Viene impiegato nel campo delle comunicazioni a fibre ottiche, dove sono utilizzati come dispositivi di ricezione per il riconoscimento del segnale contenente l'informazione. DIODO PIN Un Diodo PIN (vuol dire Positive Intrinsic Negative: diodo tipo-P, Intrinseco, tipo-N) è formato da tre zone: una larga regione di semiconduttore intrinseco contenuta tra una zona tipo P e una zona tipo N. Sono utilizzati come trasduttori di destinazione (ricevitore) nelle fibre ottiche. Convertono il segnale ottico (luminoso) in un segnale elettrico. Alle alte frequenze il diodi PIN si comporta come una resistenza. Le sue applicazioni riguardano soprattutto l’ambito delle microonde e delle onde radio (RF: Radio Frequenza). TIRISTORE: I tiristori sono una famiglia di semiconduttori, caratterizzati dal funzionamento tipo "interruttore”. I tiristori sono utilizzati nei circuiti di commutazione e controllo della potenza (regolazione

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della velocità di motori elettrici nella trazione ferroviaria ed altre applicazioni industriali), sia con tensioni continue che con tensioni alternate. I componenti più comuni, soni il diodo SCR, il TRIAC e il DIAC. SCR: Silicon Controlled Retifier, Raddrizzatore o rettificatore controllato al silicio. Dal punto di vista elettrico pressoché equivalente al diodo con la sola differenza che la conduzione diretta avviene solamente in seguito all'applicazione di un opportuno segnale di innesco su un terzo terminale denominato Gate. Perché il segnale di innesco sia valido deve superare un valore di corrente minimo (latching current: corrente di scatto) che dipenda dal tiristore. La conduzione permane anche alla cessazione del segnale e fino a che la corrente diretta non scenda sotto un valore minimo di mantenimento (detto corrente di tenuta: holding current), anche in seguito all'inversione della polarità della tensione A-K. trovano impiego nella regolazione della velocità di motori elettrici, negli inverter e nei raddrizzatori di tensione

TRIAC Il Triac è un componente elettronico, di tipo semiconduttore, specificamente progettato per controllare carichi in corrente alternata (dall'inglese Triode for alternating current). L'applicazione tipica del Triac si ha nei varialuce per i lampadari domestici, per la regolazione della velocità in elettrodomestici e piccoli motori elettrici. Il TRIAC può essere considerato come due diodi SCR collegati in antiparallelo, ovvero affiancati, ma con direzioni opposte. Gli anodi dei due SCR diventano i terminali principali del triac, ed assumono il nome di MT2 e MT1. I gate dei due SCR vengono collegati insieme, e diventano il gate del triac il TRIAC può essere attraversato dalla corrente in entrambi i sensi; occorre notare, inoltre, che il suo passaggio allo stato "on", e cioè di conduzione, può avvenire applicando al gate una tensione sia positiva che negativa.

DIAC (Diode for Alternating Current: diodo per corrente alternata) Indica un raddrizzatore bidirezionale che consente il passaggio di corrente quando l’ampiezza della tensione applicata tra i terminali supera un determinato valore di soglia. È un elemento della famiglia dei tiristori, analogo al triac, ma privo dell’elettrodo di controllo, il DIAC costituisce un valido sistema di innesco per i TRIAC e SRC nei circuiti a controllo di fase come i regolatori di luce, i sistemi di controllo di velocità dei motori, ecc. In effetti, questa è l'unica applicazione importante dei DIAC. circuito varia luce

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Diodo a giunzione: esercizi risolti

Es e r c i z i o n o . 1 Nel circuito di figura, Vγ =0,5V, RD=50Ω RL=500Ω : trovare vo quando : 1) vi=5V 2) vi=6V 3) vi=2V [Risp.:caso 1: vo= 4,1V; caso 2: vo= 5V; caso 3: vo= 1,36V ]

Es e r c i z i o n o . 2 Nel circuito di figura vi è un'onda triangolare con escursione da -15 a +15V; disegnare vo considerando: Vγ =0,5V RD=0;

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Es e r c i z i o n o . 3 Disegnare la vo sapendo che : E=2V RL=100Ω Vγ =0,5V e RD=20Ω

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Es e r c i z i o n o . 4 Nel circuito risulta: E=9V R=6kΩ RL=3kΩ. Vγ =0,5V RD=0Ω Trovare la forma d'onda in uscita se in ingresso si ha vi=6sin( t) (onda sinusoidale con ampiezza 6V)

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Es e r c i z i o n o . 5 Disegnare la vo se vi è un'onda triangolare con escursione -12 +12V. Considerare: Vγ =0,5V RD=0 E=5V R=500Ω

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Es e r c i z i o n o . 6 Nel circuito di figura: Vγ =0,6V RD=40Ω RL=500Ω trovare vo quando : 1) vi=5V 2) vi=6V 3) vi=2V [Risp.:caso 1: vo= 4,07V; caso 2: vo= 5V; caso 3: vo= 1,29V ]

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Esercizio n° 7 Dato il circuito di figura nel quale il diodo si suppone ideale: dove: R1 = 1 K; R2 = 10 K e Vi = 10 sent, calcolare e disegnare

la tensione d’uscita Vo.

Esercizio n° 8 Dato il circuito di figura, ricavare e tracciare l'andamento della Vo in funzione di Vi