Diodi: Cosa sono e come funzionano

Livello di difficoltà    

Per quanti seguono il corso di ElettronicaMaker.it “Elettronica partendo da zero”, con questa nuova lezione ci affacciamo al mondo dei “semiconduttori”. Si tratta di un passo avanti importante perchè ci accingiamo a conoscere più da vicino quei componenti che rendono l’elettronica un mondo così affascinante.

Siamo ancora nell’ambito dei componenti passivi, in quanto i diodi, pur appartenendo alla famiglia dei semiconduttori, non sono considerati componenti attivi come lo sono i transistor e molti circuiti integrati che conosceremo più avanti. Essi comunque svolgono un ruolo fondamentale e in questa lezione – sempre con l’approccio pratico che ci contraddistingue – cercheremo di descriverli in modo semplice… ma efficace.

I semiconduttori

I “semiconduttori” sono materiali a metà strada tra i conduttori e gli isolanti. Grazie alla loro composizione, possono bloccare o permettere il passaggio di correnti. I componenti realizzati con semiconduttori, appartengono alla branca della cosidetta “Elettronica allo stato solido”, per differenziarla da quella che fino alla fine degli anni ’60, con l’uso delle valvole, veniva denominata “Elettronica allo stato gassoso”. I componenti a semiconduttori sono realizzati in laboratorio con materiali speciali (principalmente silicio e germanio), a cui si aggiungono atomi provenienti da composti come fosforo, arsenico e antimonio per le giunzioni di tipo n e boro e alluminio per quelle di tipo p, allo scopo di variare la resistività. Tale processo si definisce anche “drogaggio”.

I componenti a semiconduttori, si compongono dunque di giunzioni polarizzate di tipo p e di tipo n (ovvero positive e negative) ottenute con il processo sopra citato. Essi possono disporre di due o più terminali polarizzati.

Cosa sono i diodi?

I diodi sono componenti elettronici semiconduttori con due terminali: p e n anche detti anodo e catodo, in grado – principalmente – di permettere il passaggio di corrente in una sola direzione. Il simbolo del diodo è un triangolo che indica il verso convenzionale della corrente diretta che circola al suo interno e una barra posta sul vertice, l’anodo è quindi rappresentato dal lato del triangolo (+) mentre il catodo dalla barra (-).

*Le polarità nella foto sottostante sono riferite alla polarizzazione e non alla giunzione.

Esistono tuttavia svariate tipologie di diodi, alcuni dei quali utilizzati molto comunemente:

• Diodo a giunzione PN (il diodo standard)
• Diodo LED
• Diodo Tunnel
• Diodo varicap
• Diodo Zener
• Fotodiodo
• Diodo Schottky

Alcuni di essi hanno particolari caratteristiche, come ad esempio i diodi LED che, oltre ad essere dei normali diodi, hanno la capacità di emettere luce, oppure i diodi Zener che sono in grado di stabilizzare tensioni a valori specifici o ancora i Fotodiodi, capaci di assorbire fotoni permettendo il passaggio di piccole correnti – e ancora – i diodi varicap, in grado di variare la capacità di giunzione, in base al valore della tensione (inversa), ecc… .Vedremo nel seguito delle lezioni anche alcune applicazioni pratiche.

I diodi vengono commercializzati con svariate forme, dimensioni e sigle. E’ importante fare sempre riferimento al DataSheet per conoscere le caratteristiche nel dettaglio. Più in generale, le principali differenze riguardano:

• La tensione di soglia (diretta o forward)
• La massima tensione inversa (breakdown)
• La massima corrente che può attraversare la giunzione

Come funziona il diodo?

Come accennato in precedenza, la caratteristica principale del diodo è quella di permettere il passaggio di corrente in una sola direzione: dal + (connettore o piedino positivo, anodo) al – (negativo, catodo). Un diodo quindi permette alla corrente elettrica di fluire attraverso esso quando una tensione positiva viene applicata all’anodo e una negativa al catodo. Se invertita, la polarità, il diodo blocca il flusso di corrente. Potremmo quindi affermare che la funzione principale di un diodo è quella di controllare la direzione del flusso di corrente.

Tuttavia per permettere al diodo di funzionare correttamente – essendo un semiconduttore – è necessario però attenersi ad alcune regole. Prendiamo in esame un comunissimo diodo PN al silicio inserito nel circuito dell’immagine precedente nella configurazione a “polarizzazione diretta” – ovvero: l’anodo sul polo positivo e il catodo in direzione del polo negativo; affinchè la corrente fluisca nel circuito è indispensabile che ai capi del diodo sia presente una tensione pari o superiore a 0,7 volt, generalmente non inferiore ai 0,6 volt (per i diodi al germanio la tensione dovrà essere non inferiore a 0,3 oppure 0,4 volt).

Tale tensione (o differenza di potenziale) è anche detta “tensione di soglia“, cioè la minima tensione necessaria per attivare la conduzione in polarizzazione diretta. Si tratta, in parole povere, della tensione necessaria ad accendere il dispositivo.

Se si inverte la polarizzazione, inserendolo al contrario (polarizzazione inversa) o invertendo la polarità della sorgente di alimentazione, il diodo non si attiva e nel circuito non circola corrente.

L’affermazione precedente è vera fino ad un certo punto. Tra le caratteristiche del diodo, infatti, oltre a quelle che abbiamo già visto: polarizzazione diretta, tensione di soglia e polarizzazione inversa, ce n’è un’altra che svolge un ruolo altrattanto importante che si chiama tensione di breakdown, (ovvero tensione di rottura) il cui valore è generalmente molto alto e va da un minimo di 50 volt fino a superare anche i 1.000 volt,

Quando la tensione inversa (cioè negativa e quindi inferiore a zero) si mantiene al di sotto (in valore assoluto) della tensione di rottura, nel circuito non ci sarà passaggio di corrente, ma appena la tensione negativa supera il valore di breakdown (sempre in valore assoluto), il diodo entra in conduzione, lasciando passare il flusso di corrente. Questa situazione si verifica quando all’interno del diodo si scatena il cosiddetto “effetto valanga” che può essere al tempo stesso dannoso per il componente se l’intensità di corrente non è limitata dall’esterno.

Quindi sia la tensione di soglia che quella di breakdown sono importanti per controllare l’accensione e lo spegnimento del diodo: la prima in polarizzazione diretta, mentre la seconda in polarizzazione inversa. La differenza però tra le due configurazioni sta nella corrente in grado di fluire nel componente senza arrecare danni. Mentre in polarizzazione diretta il diodo è in grado di sopportare correnti di valori abbastanza elevati, in polarizzazione inversa – invece – il diodo è in grado di sopportare solo piccoli valori di corrente, compresi generalmente tra i micro e i milliampere.

NOTA: Fare sempre riferimento alla scheda tecnica del componente (datasheet) per conosce i valori delle tensioni e delle correnti che un determinato diodo è in grado di sopportare.

Curva caratteristica del diodo

La curva caratteristica rappresenta il funzionamento di un diodo e permette di valutare come varia la corrente I nel diodo al variare della tensione V applicata (sia diretta che inversa). Nella zona a destra si può notare che il diodo non conduce fino al raggiungimento della tensione di soglia Vs. Questa tensione vale circa 0,7 volt per i diodi al silicio e 0,3 volt per i diodi al germanio. Superata la tensione di soglia il diodo conduce: nel grafico la curva blu si alza repentinamente verlo l’alto tra 0,5 e 0,7 volt.

Nella zona a sinistra invece, possiamo notare come si comporta il diodo in polarizzazione inversa. Idealmente il diodo non conduce fino alla tensione di breakdown (-Vz), ma in pratica, la corrente flusice in modo trascurabile, ma è solo quando la tensione inversa raggiunge e supera -Vz che il diodo entra in coduzione.

NOTA: la posizione di -Vz nel grafico non è realistica in quanto il suo valore si aggira – come già accennato – tra 50 volt e valori che suprano i 1.000 volt.

Il diodo in corrente alternata

Fin’ora abbiamo visto il funzionamento del diodo quando è inserito in un circuito alimentato a corrente continua, ma come si comporta il diodo in corrente alternata? Osserviamo l’immagine di seguito:

Nel circuito alimentato a corrente alternata, come abbiamo già visto nelle precedenti lezioni, la polarità si inverte più e più volte al secondo, dove la tensione ha la forma di una sinusoide, con semionde positive e negative. Il diodo è quindi sottoposto alternatamente a polarizzazione diretta e inversa. Analizzando ciò che abbiamo visto in precedenza (tensione di soglia, polarizzazione, ecc…) è facile intuire che solo le semionde positive riusciranno a portare il diodo in conduzione (a patto che ai capi del diodo la tensione raggiunga almeno i 0,7 volt), lasciando fluire la corrente solo in quel verso e interrompendo il flusso di corrente quando ai capi del diodo si troverà la tensione inversa (le semionde negative). Ciò produce una corrente di tipo pulsante: qualcosa che si avvicina molto alla corrente continua, ma non del tutto.

Il ponte di Graetz

Per ottenere una corrente pulsante più efficace è necessario trasformare le semionde negative in semionde positive. Ciò è possibile grazie ad una particolare configurazione di diodi chiamata “Ponte di Graetz” dal nome del fisico tedesco Leo Gratez che lo ha inventato nel secolo scorso. Sono sufficienti 4 diodi dello stesso tipo, collegati tra il circuito generatore e quello utilizzatore, per ottenere una corrente “raddrizzata”:

Come si può notare nella figura precedente, la configurazione dei diodi a ponte di Greatz alimentato a corrente alternata, fornisce in uscita una corrente pulsante in cui le semionde sono tutte positive e continuative. Si tratta di un risultato interessante che introduce la costruzione degli alimentatori “lineari”, argomento che affronteremo in una delle prossime lezioni.

Conclusione

Cosa abbiamo imparato in questa lezione? Facciamo un brevissimo riassunto sui diodi:

• Sono componenti realizzati con materiale semiconduttore (silicio, germanio, ecc…).
• Un processo di cosiddetto “drogaggio” utilizzato durante la loro realizzazione, permette di polarizzare i due terminali del componente permettendo al diodo di controllare la direzione del flusso di corrente.
• Il diodo si attiva solo in particolari condizioni
  • In polarizzazione diretta si attiva quando la tensione ai suoi capi è uguale o superiore alla tensione di soglia
  • In polarizzazione inversa si attiva quando la tensione inversa raggiunge il livello di breakdown scatenando l’effetto valanga.
  • La corrente in grado di fluire nel diodo è di molto superiore (e quindi adeguata) solo quando è utilizzato il polarizzazione diretta.
• In corrente alternata un diodo è in grado di eliminare le semionde negative, lasciando passare solo le semionde positive.
  • utilizzando la configurazione a Ponte di Greatz è possibile trasformare una corrente alternata in una corrente pulsante dove anche le semionde negative vengono trasformate in semionde positive.

Nelle prossime lezioni vedremo come funzionano gli altri tipi di diodi (Zener, LED, Varicap, Fotodiodi, ecc…).