I diodi a semiconduttore sono ampiamente utilizzati nell'elettronica e nell'industria elettronica. Sono usati sia indipendentemente che come giunzione p-n di transistor e molti altri dispositivi. In quanto componenti discreti, i diodi sono una parte fondamentale di molti circuiti elettronici. Trovano molte applicazioni che vanno dalle applicazioni a bassa potenza ai raddrizzatori.
Cos'è un diodo?
Tradotto dal greco, il nome di questo elemento elettronico significa letteralmente "due terminali". Sono chiamati anodo e catodo. In un circuito, la corrente scorre dall'anodo al catodo. Il diodo a semiconduttore è un elemento unilaterale e il flusso di corrente nella direzione opposta è bloccato.
Principio di funzionamento
Il dispositivo dei diodi a semiconduttore è molto diverso. Questo è il motivo per cui ne esistono molti tipi, che differiscono sia per il valore nominale che per le funzioni che svolgono. Tuttavia, nella maggior parte dei casi il principio di baseil funzionamento dei diodi a semiconduttore è lo stesso. Contengono una giunzione p-n, che fornisce le loro funzionalità di base.
Questo termine è solitamente usato in riferimento alla forma standard di un diodo. In effetti, si applica a quasi tutti i tipi di essi. I diodi costituiscono la spina dorsale della moderna industria elettronica. Tutto - dai semplici elementi e transistor ai moderni microprocessori - si basa sui semiconduttori. Il principio di funzionamento di un diodo a semiconduttore si basa sulle proprietà dei semiconduttori. La tecnologia si basa su un gruppo di materiali, l'introduzione di impurità nel reticolo cristallino del quale permette di ottenere regioni in cui lacune ed elettroni sono portatori di carica.
P-n-giunzione
Il diodo di tipo p-n ha preso il nome perché utilizza una giunzione p-n che consente alla corrente di fluire in una sola direzione. L'elemento ha altre proprietà che sono anche ampiamente utilizzate. I diodi a semiconduttore, ad esempio, possono emettere e rilevare luce, modificare la capacità e regolare la tensione.
P-n-junction è una struttura a semiconduttore di base. Come suggerisce il nome, è una giunzione tra le regioni di tipo p e n. La transizione consente ai portatori di carica di muoversi in una sola direzione, il che, ad esempio, consente di convertire la corrente alternata in corrente continua.
I diodi standard sono solitamente realizzati in silicio, sebbene vengano utilizzati anche germanio e altri materiali semiconduttori, principalmente per scopi speciali.
Volt-ampere caratteristico
Il diodo è caratterizzato da una curva corrente-tensione, che può essere suddivisa in 2 rami: avanti e indietro. Nella direzione opposta, la corrente di dispersione è prossima a 0, ma con l'aumentare della tensione aumenta lentamente e, quando viene raggiunta la tensione di rottura, inizia ad aumentare bruscamente. Nella direzione in avanti, la corrente aumenta rapidamente con la tensione applicata al di sopra della soglia di conduzione, che è 0,7 V per i diodi al silicio e 0,4 V per il germanio. Le celle che utilizzano materiali diversi hanno caratteristiche volt-ampere, soglia di conduzione e tensioni di rottura diverse.
Il diodo a giunzione p-n può essere considerato un dispositivo di livello base. È ampiamente utilizzato in molte applicazioni che vanno da circuiti di segnale e rivelatori a limitatori o soppressori di transitori in bobine di induzione o relè e raddrizzatori ad alta potenza.
Caratteristiche e parametri
Le specifiche del diodo forniscono molti dati. Tuttavia, non sempre sono disponibili spiegazioni precise di cosa siano. Di seguito sono riportati i dettagli delle varie caratteristiche e parametri del diodo, riportati nelle specifiche.
Materiale semiconduttore
Il materiale utilizzato nelle giunzioni p-n è di fondamentale importanza perché influenza molte delle caratteristiche fondamentali dei diodi a semiconduttore. Il silicio è il più utilizzato per via della sua elevata efficienza e dei bassi costi di produzione. Un altro usato frequentementel'elemento è il germanio. Altri materiali sono in genere utilizzati in diodi per scopi speciali. La scelta del materiale semiconduttore è importante perché determina la soglia di conduzione - circa 0,6 V per il silicio e 0,3 V per il germanio.
Calo di tensione in modalità corrente continua (U pr.)
Qualsiasi circuito elettrico attraverso il quale passa la corrente provoca una caduta di tensione, e questo parametro di un diodo a semiconduttore è di grande importanza, soprattutto per la rettifica, quando le perdite di potenza sono proporzionali a U ave. Inoltre, i componenti elettronici spesso hanno bisogno di fornire una piccola caduta di tensione, perché i segnali possono essere deboli, ma devono comunque superarla.
Questo accade per due motivi. Il primo risiede nella natura stessa della giunzione p-n ed è il risultato di una tensione di soglia di conduzione che consente alla corrente di attraversare lo strato di esaurimento. La seconda componente è la normale perdita resistiva.
L'indicatore è di grande importanza per i diodi raddrizzatori, che possono trasportare grandi correnti.
Picco di tensione inversa (U arr. max)
Questa è la più alta tensione inversa che un diodo a semiconduttore può sopportare. Non deve essere superato, altrimenti l'elemento potrebbe guastarsi. Non è solo la tensione RMS del segnale di ingresso. Ogni circuito deve essere considerato nei suoi meriti, ma per un semplice raddrizzatore a semionda singolo con condensatore di livellamento, ricorda che il condensatore manterrà una tensione pari al picco dell'ingressosegnale. Il diodo sarà quindi soggetto al picco del segnale in ingresso nella direzione inversa, e quindi in queste condizioni si avrà una tensione inversa massima pari al valore di picco dell'onda.
Corrente diretta massima (U pr. max)
Quando si progetta un circuito elettrico, assicurarsi che i livelli massimi di corrente del diodo non vengano superati. All'aumentare della corrente, viene generato calore aggiuntivo, che deve essere rimosso.
Corrente di dispersione (I arr.)
In un diodo ideale, non dovrebbe esserci corrente inversa. Ma nelle giunzioni p-n reali, è dovuto alla presenza di portatori di carica di minoranza nel semiconduttore. La quantità di corrente di dispersione dipende da tre fattori. Ovviamente, la più significativa di queste è la tensione inversa. Inoltre, la corrente di dispersione dipende dalla temperatura: con la sua crescita, aumenta in modo significativo. Inoltre, dipende fortemente dal tipo di materiale semiconduttore. A questo proposito, il silicio è molto meglio del germanio.
La corrente di dispersione è determinata ad una certa tensione inversa e ad una certa temperatura. Di solito è specificato in microampere (ΜA) o picoamp (pA).
Capacità di transizione
Tutti i diodi a semiconduttore hanno capacità di giunzione. La zona di svuotamento è una barriera dielettrica tra due piastre che si formano ai margini della regione di svuotamento e della regione con i portatori di carica maggioritari. Il valore effettivo della capacità dipende dalla tensione inversa, che porta a una variazione nella zona di transizione. Il suo aumento espande la zona di impoverimento e, di conseguenza,riduce la capacità. Questo fatto viene sfruttato nei varactor o nei varicap, ma per altre applicazioni, in particolare le applicazioni RF, questo effetto deve essere ridotto al minimo. Il parametro è solitamente specificato in pF a una determinata tensione. Sono disponibili speciali diodi a bassa resistenza per molte applicazioni RF.
Tipo di caso
A seconda dello scopo, i diodi a semiconduttore vengono prodotti in contenitori di vario tipo e forma. In alcuni casi, soprattutto quando utilizzato nei circuiti di elaborazione del segnale, il package è un elemento chiave nel determinare le caratteristiche complessive di tale elemento elettronico. Nei circuiti di potenza in cui la dissipazione del calore è importante, il pacchetto può determinare molti dei parametri generali di un diodo. I dispositivi ad alta potenza devono poter essere collegati a un dissipatore di calore. Gli articoli più piccoli possono essere prodotti in custodie di piombo o come dispositivi a montaggio superficiale.
Tipi di diodi
A volte è utile familiarizzare con la classificazione dei diodi a semiconduttore. Tuttavia, alcuni articoli possono appartenere a diverse categorie.
Diodo invertito. Sebbene non sia così diffuso, è un tipo di elemento di tipo p-n, che nella sua azione è molto simile al tunnel. Presenta una bassa caduta di tensione nello stato di accensione. Trova impiego in rivelatori, raddrizzatori e interruttori ad alta frequenza.
Diodo di transito iniezione. Ha molto in comune con il più comune volo di valanghe. Utilizzato nei generatori di microonde e nei sistemi di allarme.
Diodo Gunn. Non appartiene al tipo p-n, ma è un dispositivo a semiconduttore con due terminali. È comunemente usato per generare e convertire segnali a microonde nella gamma 1-100 GHz.
Emettitore di luce o LED è uno dei tipi più popolari di componenti elettronici. In polarizzazione diretta, la corrente che scorre attraverso la giunzione provoca l'emissione di luce. Usano semiconduttori composti (ad esempio arseniuro di gallio, fosfuro di gallio, fosfuro di indio) e possono brillare in una varietà di colori, sebbene originariamente fossero limitati al solo rosso. Ci sono molti nuovi sviluppi che stanno cambiando il modo in cui i display funzionano e vengono prodotti, ad esempio OLED.
Fotodiodo. Utilizzato per rilevare la luce. Quando un fotone colpisce una giunzione p-n, può creare elettroni e lacune. I fotodiodi funzionano tipicamente in condizioni di polarizzazione inversa, dove anche piccole correnti generate dalla luce possono essere facilmente rilevate. I fotodiodi possono essere utilizzati per generare elettricità. A volte gli elementi di tipo pin vengono utilizzati come fotorilevatori.
Diodo pin. Il nome dell'elemento elettronico descrive bene il dispositivo di un diodo a semiconduttore. Ha regioni di tipo p e n standard, ma c'è una regione interna senza impurità tra di loro. Ha l'effetto di aumentare l'area della regione di svuotamento, che può essere utile per la commutazione, così come nei fotodiodi, ecc.
La giunzione p-n standard può essere considerata normaleo il tipo standard di diodo in uso oggi. Possono essere utilizzati in RF o altre applicazioni a bassa tensione, nonché raddrizzatori ad alta tensione e ad alta potenza.
Diodi Schottky. Hanno una caduta di tensione diretta inferiore rispetto ai semiconduttori al silicio di tipo pn standard. A basse correnti, può essere compreso tra 0,15 e 0,4 V e non 0,6 V, come con i diodi al silicio. Per fare questo, non sono realizzati come al solito: usano un contatto metallo-semiconduttore. Sono ampiamente utilizzati come limitatori, raddrizzatori e nelle apparecchiature radio.
Diodo con accumulo di carica. È un tipo di diodo a microonde utilizzato per generare e modellare impulsi a frequenze molto elevate. Il suo funzionamento si basa su una caratteristica di intervento molto veloce.
Diodo laser. Si differenzia dalla normale emissione di luce in quanto produce luce coerente. I diodi laser sono utilizzati in molti dispositivi, dalle unità DVD e CD ai puntatori laser. Sono molto più economici di altre forme di laser, ma significativamente più costosi dei LED. Hanno una durata di servizio limitata.
Diodo a tunnel. Sebbene non sia ampiamente utilizzato oggi, era precedentemente utilizzato in amplificatori, oscillatori e dispositivi di commutazione, circuiti di temporizzazione dell'oscilloscopio, quando era più efficiente di altri elementi.
Vactor o varicap. Utilizzato in molti dispositivi RF. Per questo diodo, la polarizzazione inversa cambia la larghezza dello strato di esaurimento a seconda della tensione applicata. In questa configurazione essofunge da condensatore con una regione di svuotamento che funge da dielettrico isolante e piastre formate dalle regioni conduttive. Utilizzato in oscillatori controllati in tensione e filtri RF.
Diodo Zener. È un tipo di diodo molto utile in quanto fornisce una tensione di riferimento stabile. Per questo motivo, il diodo zener viene utilizzato in enormi quantità. Funziona in condizioni di polarizzazione inversa e si interrompe quando viene raggiunta una certa differenza di potenziale. Se la corrente è limitata da un resistore, questo fornisce una tensione stabile. Ampiamente usato per stabilizzare gli alimentatori. Esistono 2 tipi di ripartizione inversa nei diodi zener: decomposizione Zener e ionizzazione per impatto.
Pertanto, vari tipi di diodi a semiconduttore includono elementi per applicazioni a bassa e alta potenza, che emettono e rilevano luce, con bassa caduta di tensione diretta e capacità variabile. In aggiunta a questo, ci sono un certo numero di varietà che vengono utilizzate nella tecnologia a microonde.
