Ricerca sui diodi

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Testo

LABORATORIO DI
TECNOLOGIA DISEGNO E PROGETTAZIONE

NOME: Fabrizio DATA: 08/05/1999
COGNOME: Bettaccini
CLASSE: 3^ AK
TITOLO: Ricerca sui diodi
VALUTAZIONE:

Il diodo и un componente circuitale che permette il passaggio di corrente in un solo verso: da anodo a catodo.
Esso и costituito da due porzioni di materiale semiconduttore (silicio, germanio, ecc.) che formano una giunzione P-N. Il materiale della zona P и trattato chimicamente e termicamente per potervi associare un altro elemento, i cui atomi presentano una carenza di elettroni; al materiale della zona N viene invece aggregata un’altra sostanza che presenta un eccesso di elettroni, sempre impiegando lo stesso procedimento (drogaggio) che assicura il contatto fisico ed elettrico fra le coppie di sostanze. A ciascuna delle due zone si unisce un terminale di collegamento formato da un filo. Il tutto viene isolato elettricamente dall’esterno mediante un rivestimento di vetro o resina plastica.
Tra le due parti di giunzione P-N, nella zona di contatto tra le due, si forma una regione denominata zona di carica spaziale, dove si genera una piccola differenza di potenziale, in modo che la zona N ha un potenziale piщ elevato della zona P, ragion per cui non si verifica alcun passaggio di elettroni dall’una all’altra.
Se si applica al diodo una tensione esterna , collegando il positivo alla zona P e il negativo alla zona N, una piccola parte di questa viene usata per vincere la differenza di potenziale preesistente, cosicchй entrambe le parti si trovano livellate in tensione, mentre il resto produce una corrente elettrica tra le due zone, con gli elettroni che circolano dalla zona N alla zona P e la corrente, quindi, dalla P alla N.
Ovviamente, se la tensione esterna viene applicata con la polaritа inversa, col positivo collegato alla zona N e il negativo alla zona P, la tensione viene a sommarsi a quella preesistente e non si produce alcuna circolazione di corrente.
Da quanto detto si deduce che questo diodo puт essere sfruttato per la conversione in continua della corrente alternata.

DIODO IDEALE – Il diodo ideale si fig.1-Curva caratteristica del diodo ideale
comporta da resistenza nulla se и
polarizzato direttamente e quindi
risulta I=V/R. Si comporta invece da
resistenza infinita se и polarizzato
inversamente e quindi risulta I=0
(vedi fig.1).

DIODO REALE – Osservando la
curva di un diodo reale si nota in
particolare che la conduzione in
polarizzazione diretta и possibile solo
superando la tensione di soglia Vt fig.2-Curva caratteristica di un diodo reale
(threshold voltage) ed inoltre la con-
duzione non avviene a resistenza nulla.
In conduzione inversa и presente una
piccola corrente di fuga I0 fino al rag-
giungimento della tensione di rottura
VB (breakdown voltage); oltre questo
valore si ha una rapida crescita della
conduzione. Normalmente la tensione
di rottura и abbastanza alta perchй
deve risultare superiore al valore mas-
simo previsto per la tensione inversa
di funzionamento (vedi fig.2).

CLASSIFICAZIONE
Possiamo distinguere i diodi a semiconduttore in due grandi categorie:
i diodi segnale e i diodi di potenza.
DIODI SEGNALE - sono adatti per sopportare valori modesti di corrente diretta (pochi mA) e valori contenuti di tensione inversa (al massimo 100 V); la loro resistenza termica и elevata, di conseguenza la potenza dissipabile senza registrare sovratemperature eccessive и piuttosto piccola. Il semiconduttore usato per la loro costruzione и il germanio o il silicio.
DIODI DI POTENZA - sono diodi che possono sopportare valori elevati o elevatissimi di corrente diretta (dai 100 ai 1000 A) e di tensione inversa (1000 V); la loro resistenza termica и molto bassa e riescono a dissipare facilmente il calore durante il funzionamento senza raggiungere temperature pericolosamente elevate. Tra questi, tutti al silicio, possiamo distinguere :
• DIODI RETTIFICATORI
I diodi rettificatori sono caratterizzati dal fatto che sia la tensione inversa sia la corrente diretta possono assumere valori elevati; per questo motivo, le loro dimensioni e il tipo di contenitori sono adeguati per elevate dissipazioni di potenza: in alcuni casi si provvede il loro fissaggio su dissipatori metallici oppure il raffreddamento forzato. Questi diodi vengono usati per rettificare la corrente alternata ed ottenere una corrente pulsante unidirezionale a semionda. Per ottenere una corrente che abbia un andamento piщ lineare possibile occorre utilizzare un ponte di diodi detto ponte di Graetz il quale riesce a trasformare una corrente bidirezionale in una unidirezionale a doppia semionda. E’ da notare che con la configurazione a ponte di Graetz, il valore massimo della tensione rettificata sarа minore di quello della tensione alternata di ingresso, di una grandezza pari alla somma della caduta di tensione di entrambi i diodi in conduzione ad ogni semiperiodo.
• DIODI ZENER
I diodi Zener sono componenti che per il loro funzionamento normale sfruttano l’effetto Zener della giunzione PN polarizzata inversamente: questo effetto и dovuto al fatto che il campo elettrico raggiungendo un’intensitа sufficiente, и in grado di rompere gli stessi legami covalenti del reticolo cristallino e rende disponibile cosм un gran numero di portatori di carica per cui la tensione inversa, detta appunto tensione Zener Vz, varierа pochissimo pur aumentando rapidamente la corrente inversa, detta corrente di Zener Iz. Il valore di Vz viene determinato in fase di costruzione del componente mediante il drogaggio del semiconduttore: a maggiori percentuali di sostanze inquinanti corrispondono tensioni di Zener piщ basse. Per la loro costruzione viene impiegato esclusivamente il silicio, perchй questo materiale permette di ottenere una caratteristica di funzionamento con dei ginocchi molto pronunciati, quindi con delle tensioni di Zener molto precise.
Il loro funzionamento si basa appunto su una proprietа, come stato detto in precedenza, che presentano le giunzioni PN, quando sono polarizzate nel senso di non conduzione oltre un certo livello. Normalmente, un diodo polarizzato nel senso di non conduzione non permette il passaggio di corrente o consente il passaggio di una corrente di bassissima intensitа.
D’altra parte, quando la tensione di polarizzazione raggiunge un certo valore (tensione Zener) si produce un aumento della corrente che transita, cosм che questa differenza di potenziale ai suoi terminali si mantiene praticamente costante, benchй le variazioni di intensitа della corrente che attraversa il diodo tendano a farla diminuire o aumentare (effetto “valanga”).
Sempre per quanto riguarda i diodi a semiconduttore troviamo il gruppo dei diodi speciali nel quale rientrano:
• DIODI LED
I diodi led sono diodi in grado di emettere luce quando vengono percorsi da una corrente diretta sufficientemente elevata. La loro proprietа и determinata dai portatori di carica minoritari che, attraversando la giunzione PN cedono energia durante la loro ricombinazione e una delle forme di questa energia и quella luminosa. Da notare che la luce emessa durante il percorso di ricombinazione и sostanzialmente monocromatica.
I materiali usati come semiconduttore dipendono dal tipo di radiazione luminosa che si vuole ottenere: con l’arseniuro di gallio drogato con zinco si ha luce infrarossa, con fosfuro di gallio drogato con silicio e zinco luce verde, con fosfuro di gallio drogato con ossigeno e zinco luce rossa.
Dato il fenomeno della ricombinazione che viene sfruttato, l’interruzione dell’emissione luminosa puт essere molto rapida (100ns) e questi dispositivi vengono utilizzati per telecomandi, dispositivi per la presentazione di dati alfanumerici (display).
• DIODI VARICAP
I diodi varicap si costruiscono accentuando al massimo la proprietа della giunzione PN di comportarsi in modo analogo a un condensatore quando la si polarizza inversamente.
La capacitа risultante, inoltre, varia a seconda della tensione applicata; si puт cosм disporre, in modo molto semplice, di condensatori variabili, controllati dalla tensione applicata. Vengono largamente impiegati negli stadi di sintonia dei ricevitori radio e tv.
• DIODI TUNNEL
I diodi tunnel producono un effetto simile all’effetto Zener grazie all’applicazione di una debole tensione nel senso di conduzione, che provoca un forte passaggio di corrente; se si aumenta la tensione applicata, la corrente prodotta dal diodo diminuisce fino a un livello molto basso. A partire da questo momento se si continua ad aumentare la tensione, il diodo comincia a funzionare come un qualsiasi componente normale. Se il diodo a tunnel viene fatto lavorare nell’intervallo di tensione in cui compaiono i fenomeni descritti si genereranno delle oscillazioni. Pertanto, questo componente viene utilizzato nella costruzione degli oscillatori.

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