Diodo
Che cos'è un diodo?
Un diodo rappresenta un fondamentale componente elettronico che agevola il passaggio di corrente elettrica in un solo verso, mentre ne impedisce il flusso in direzione opposta.
Questa caratteristica lo rende un elemento distintivo, poiché, diversamente da un conduttore elettrico generico, non permette un flusso bidirezionale spontaneo di corrente.
L'abilità di controllare il flusso elettrico attraverso un diodo è ottenuta applicando una differenza di potenziale in modo appropriato, consentendo così la conduzione in una direzione specifica. Questa peculiare natura comportamentale rende i diodi strumenti di grande utilità in una vasta gamma di dispositivi elettronici. In effetti, i diodi costituiscono un elemento fondamentale nell'elettronica, essendo parte integrante di numerosi dispositivi inimmaginabili senza il loro contributo.
Simbolo circuitale del diodo
Il simbolo circuitale universalmente adottato per rappresentare un diodo è un triangolo, distinguiamo l'anodo e il catodo come il polo positivo e quello negativo del diodo.
Ricordando che il verso convenzionale della corrente va dal polo positivo a quello negativo, diremo che il diodo è polarizzato direttamente se siamo in questa situazione:
Altrimenti diremo che il diodo è in polarizzazione inversa se si invertono i poli:
Tipi di diodi
Esistono diversi tipi di diodi, tuttavia ci concentreremo sui diodi a giunzione, i quali sono i più comuni. Quando parliamo di giunzione, ci riferiamo specificamente a una giunzione pn, che costituisce l'interfaccia tra un semiconduttore drogato di tipo p e uno drogato di tipo n.
Drogare un semiconduttore di tipo p o n significa introdurre intenzionalmente impurità o atomi estranei nel reticolo cristallino del semiconduttore per alterarne le proprietà elettriche. Questo processo è fondamentale per la fabbricazione di dispositivi semiconduttori, come appunto i diodi a giunzione.
Drogaggio di tipo p: si aggiungono impurità (ad esempio, atomi di boro) al silicio o ad un altro semiconduttore di tipo n. Gli atomi aggiunti hanno solo tre elettroni nella loro ultima orbita, creando così "lacune" o "vuoti" di elettroni nel reticolo. Questo tipo di drogaggio crea una maggiore concentrazione di lacune cariche positivamente.
Drogaggio di tipo n: si aggiungono impurità (ad esempio, atomi di fosforo) al silicio o ad un altro semiconduttore di tipo p. Gli atomi aggiunti hanno cinque elettroni nella loro ultima orbita, introducendo così elettroni aggiuntivi nel reticolo. Questo tipo di drogaggio aumenta la concentrazione di portatori di carica negativa, gli elettroni.
La combinazione di un semiconduttore di tipo p e uno di tipo n, formando una giunzione PN, è fondamentale per la creazione di dispositivi elettronici come i diodi e i transistor, in quanto la giunzione PN consente il controllo del flusso di corrente attraverso il dispositivo.
In breve, il processo di drogaggio ci consente di aumentare la concentrazione di lacune nella zona P e di elettroni nella zona N.
Immaginiamo ora una predominanza significativa di lacune nella parte sinistra della giunzione, indicandola con un simbolo (+) che rappresenta cariche positive. Infatti, una lacuna agisce come una carica positiva. Allo stesso modo, possiamo immaginare una densità elevata di cariche negative, ovvero elettroni, nella zona n che indicheremo col simbolo proprio delle cariche negative (-).
Certamente, è importante sottolineare che complessivamente la zona p è neutra e la zona n è neutra. Tutte le lacune positive nella zona p sono bilanciate dagli ioni negativi dell'elemento drogante e lo stesso vale per la zona n, dove gli elettroni sono bilanciati dai ioni positivi del drogante. In sintesi, sia la zona p che la zona n sono globalmente neutre.
Ora, quando mettiamo a contatto le due zone, si verifica un interessante fenomeno. Dato che nella zona p c'è una concentrazione significativa di lacune mentre nella zona N ci sono molte meno lacune, allora le lacune presenti nella zona p tendono a diffondersi nella zona n. Le lacune non rimangono statiche; a causa, ad esempio, dell'agitazione termica, si muovono e quando si trovano all'interfaccia con una zona in cui ci sono molte meno lacune, naturalmente diffondono verso la zona n. Questo processo avviene in modo spontaneo, poiché le lacune si spostano per riempire gli spazi vuoti nella zona n, creando una corrente di diffusione.
Invertendo il ragionamento, osserviamo che anche gli elettroni presenti nella zona n tendono a diffondersi nella zona p. Questo avviene sempre grazie all'agitazione termica, che li spinge naturalmente ad entrare nella zona p. È importante sottolineare che questo non riguarda tutti gli elettroni, ma un considerevole numero di essi. Questi elettroni, in modo naturale, si spostano verso la zona p, dove la loro concentrazione è significativamente minore.
Lo stesso principio si applica alle lacune, che anch'esse tendono a spostarsi nella zona n. La loro concentrazione è notevolmente minore in zona n, quindi, grazie all'agitazione termica, le lacune si dirigono verso questa zona. È fondamentale notare che non tutte le lacune si spostano, ma un numero considerevole di esse segue questo processo naturale.
Riprendendo la nostra analisi, supponiamo che tutti gli elettroni e le lacune disegnati precedentemente si siano spostati nelle zone opposte. Naturalmente, in ogni zona rimarranno alcune lacune in zona p e alcuni elettroni in zona n. Tuttavia, concentriamoci per un momento su quegli elettroni e su quelle lacune che hanno diffuso, spostandosi così nell'altra zona.
Consideriamo ora gli elettroni che si sono spostati dalla zona n alla zona p. Questi elettroni si trovano ora in una regione caratterizzata da una notevole concentrazione di lacune. Nella zona p, come ricordato, la presenza di lacune è significativa. In questo contesto, si verifica rapidamente un fenomeno noto come ricombinazione, in cui gli elettroni e le lacune, essendo opposti in carica, si "annichiliscono" tra di loro.
Questo processo avviene in un periodo di tempo variabile, ma poiché la zona p è ricca di lacune, possiamo supporre che la ricombinazione avvenga quasi istantaneamente per gli elettroni presenti in questa zona.
Ora, invertiamo il ragionamento considerando le lacune che si sono spostate dalla zona p alla zona n. In questa regione, essendo in zona n, ci sono molteplici elettroni. Quindi, è molto probabile che una lacuna incontri rapidamente un elettrone con cui ricombinarsi. Questa dinamica di ricombinazione avviene anch'essa in un tempo relativamente breve, contribuendo al bilanciamento delle cariche nelle due zone e consentendo il mantenimento dell'equilibrio elettrico complessivo del dispositivo a giunzione pn.
Gli elettroni che finiscono in zona p e le lacune che si spostano in zona n si ricombinano, "annichilendo" una carica presente. Tuttavia, va notato che, dal punto di vista fisico, una lacuna rappresenta una zona senza elettroni, mentre l'elettrone è una vera e propria particella invece con carica negativa. Nonostante la complessità delle caratteristiche delle lacune, possiamo considerarle come particelle con carica positiva, almeno nel loro comportamento.
In seguito alla ricombinazione degli elettroni e delle lacune rispettivamente nella zona p e n, abbiamo comunque avuto una serie di cariche negative che sono penetrate in una zona precedentemente neutra. La zona p, inizialmente neutra, ora contiene cariche negative, e la zona n, anch'essa inizialmente neutra, ora contiene lacune, cioè cariche positive. Pertanto, dopo la formazione di questa giunzione, la zona p rimane complessivamente carica negativa, mentre la zona n rimane complessivamente carica positiva.
Fisicamente, nella zona n rimangono ioni positivi non bilanciati, poiché gli elettroni che li bilanciavano sono migrati nella zona p. Analogamente, nella zona p restano ioni negativi non bilanciati, dato che le lacune che li bilanciavano sono finite nella zona n. Questo porta alla generazione di una regione complessivamente carica positivamente nella zona n.
Tuttavia, è importante notare che questa carica positiva non si estende per tutta la lunghezza della zona n, ma ha un limite spaziale. Allo stesso modo, nella zona p, la regione complessivamente carica negativamente raggiunge una certa distanza dalla giunzione.
Questa regione, chiamata "regione di svuotamento" o "zona svuotata" è così denominata perché viene effettivamente svuotata di elettroni e lacune che si sono ricombinate.
La caratteristica chiave di questa regione di svuotamento è la presenza di un campo elettrico, generato dalla separazione delle cariche positive e negative.
Le linee del campo elettrico E vanno dalle cariche positive alle negative, e si genera tale campo quando uniamo due semiconduttori, uno drogato di tipo p e uno drogato di tipo n, raggiungendo un equilibrio. È importante notare che, sebbene l'esempio citato coinvolga un esperimento mentale in cui uniamo due semiconduttori, nella pratica la zona drogata p e la zona drogata n vengono fabbricate già insieme, e la diffusione avviene all'istante della creazione della giunzione.
Il campo elettrico che si forma ha l'effetto di annullare la diffusione delle cariche. In altre parole, tutto si stabilizza a un certo punto. Inizialmente, le lacune si spostano, generando un campo elettrico. Tuttavia, questo campo cresce fino a raggiungere un valore tale da impedire ulteriori spostamenti delle lacune.
Le cariche positive seguono infatti le linee del campo elettrico. Una lacuna, quindi, sarebbe spinta naturalmente verso sinistra, mentre un elettrone si muoverebbe verso destra. La diffusione si ferma quando si raggiunge un equilibrio: le lacune generano un campo elettrico che impedisce ulteriori spostamenti. L'equilibrio potrebbe però essere disturbato applicando una differenza di potenziale esterna.
Infatti, attraverso dei cavi è possibile applicare una differenza di potenziale alla giunzione, ad esempio collegando una batteria o un generatore.
In un caso, collegando il polo positivo (+) della batteria alla zona p e il polo negativo (-) alla zona n, si stabilisce una polarizzazione diretta.
In polarizzazione diretta, si sovrappone dunque un secondo campo elettrico, andando nel verso opposto, rispetto a quello originato dalla diffusione delle cariche.
Se si applica il polo positivo (+) alla zona p e il polo negativo (-) alla zona n, si ottiene dunque un campo elettrico che annulla in parte quello preesistente. Questa riduzione del campo elettrico permette alle lacune, in precedenza bloccate, di muoversi verso destra, generando un flusso di cariche positive dalla zona p alla zona n. Questo flusso costituisce la corrente misurata.
In polarizzazione inversa, si applica invece il polo negativo (-) della batteria alla zona p e il polo positivo (+) alla zona n. Questo amplifica il campo elettrico esistente, sommando un secondo campo che va stavolta nella stessa direzione di quello preesistente.
Il risultato è un ulteriore blocco della diffusione: le lacune e gli elettroni, che potrebbero aver avuto una tendenza a muoversi prima, sono ora ancor più ostacolati.
Nella zona di svuotamento, non ci sono più portatori di carica liberi a causa della ricombinazione. Applicando la polarizzazione inversa, si amplia ulteriormente la regione in cui non può avvenire alcun passaggio di cariche, rendendo il diodo non conduttivo. La corrente è quindi uguale a zero.
Il comportamento descritto rappresenta un modello ideale, ma in pratica, c'è comunque una corrente molto piccola in polarizzazione inversa. Questa corrente è dovuta a rarissime lacune che, occasionalmente, si spostano verso sinistra.
Tuttavia, dal punto di vista complessivo, la polarizzazione inversa allarga la zona di svuotamento, in cui non sono presenti né elettroni né lacune. Questa zona priva di portatori di carica impedisce il passaggio di corrente. Il diodo conduce in polarizzazione diretta, mentre in polarizzazione inversa presenta una corrente molto ridotta.
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