Diodi: giunzione pn, tipi, costruzione e funzionamento

Cos'è il diodo?

In generale, tutti i dispositivi elettronici necessitano di alimentazione CC, ma è impossibile generare energia CC, quindi abbiamo bisogno di un'alternativa per ottenere un po 'di potenza CC, quindi l'utilizzo di diodi entra in gioco per convertire l'alimentazione CA in CC. Un diodo è un minuscolo componente elettronico utilizzato in quasi tutti i circuiti elettronici per consentire il flusso di corrente in una sola direzione ( dispositivo unidirezionale ). Possiamo dire che l'utilizzo di materiali semiconduttori per costruire i componenti elettronici è stato avviato con i diodi. Prima dell'invenzione del diodo c'erano i tubi a vuoto, dove le applicazioni di entrambi questi dispositivi sono simili ma le dimensioni occupate dal tubo a vuoto saranno molto maggiori rispetto ai diodi. La costruzione dei tubi a vuoto è un po 'complessa e sono difficili da mantenere rispetto ai diodi a semiconduttore. Poche applicazioni dei diodi sono la rettifica, l'amplificazione, l'interruttore elettronico, la conversione dell'energia elettrica in energia luminosa e dell'energia luminosa in energia elettrica.

Storia del diodo:

Nel 1940 ai Bell Labs, Russell Ohl stava lavorando con un cristallo di silicio per scoprirne le proprietà. Un giorno accidentalmente, quando il cristallo di silicio che ha una fessura è stato esposto alla luce solare, ha trovato il flusso di corrente attraverso il cristallo e questo è stato successivamente chiamato diodo, che era l'inizio dell'era dei semiconduttori.

Costruzione del diodo:

I materiali solidi sono generalmente classificati in tre tipi: conduttori, isolanti e semiconduttori. I conduttori hanno un numero massimo di elettroni liberi, gli isolanti hanno un numero minimo di elettroni liberi (trascurabile in modo tale che il flusso di corrente non sia affatto possibile) mentre i semiconduttori possono essere conduttori o isolanti a seconda del potenziale applicato ad essi. I semiconduttori di uso generale sono il silicio e il germanio. Il silicio è preferito perché è abbondantemente disponibile sulla terra e fornisce un migliore intervallo termico.

I semiconduttori sono ulteriormente classificati in due tipi come semiconduttori intrinseci ed estrinseci.

Semiconduttori intrinseci:

Questi sono anche chiamati semiconduttori puri in cui i portatori di carica (elettroni e lacune) sono in uguale quantità a temperatura ambiente. Quindi la conduzione della corrente avviene allo stesso modo da entrambi i buchi e gli elettroni.

Semiconduttori estrinseci:

Per aumentare il numero di buchi o elettroni in un materiale, si scelgono semiconduttori estrinseci in cui al silicio vengono aggiunte impurità (diverse da silicio e germanio o semplicemente materiali trivalenti o pentavalenti). Questo processo di aggiunta di impurità ai semiconduttori puri è chiamato doping.

Formazione di semiconduttori di tipo P e N:

Semiconduttore di tipo N:

Se gli elementi pentavalenti (il numero di elettroni di valenza è cinque) vengono aggiunti al Si o al Ge, allora sono disponibili elettroni liberi. Quando gli elettroni (portatori di carica negativa) sono più numerosi questi sono chiamati come semiconduttore di tipo N . Nel tipo N, gli elettroni semiconduttori sono portatori di carica maggioritari e i buchi sono portatori di carica minoritari.

Pochi elementi pentavalenti sono fosforo, arsenico, antimonio e bismuto. Poiché questi hanno un eccesso di elettroni di valance e sono pronti per l'accoppiamento con la particella esterna caricata positivamente, questi elementi sono chiamati donatori .

Semiconduttore di tipo P.

Allo stesso modo, se elementi trivalenti come boro, alluminio, indio e gallio vengono aggiunti a Si o Ge, viene creato un buco perché un numero di elettroni di valenza in esso sono tre. Poiché un buco è pronto per accettare un elettrone e per essere accoppiato, viene chiamato Accettatori . Poiché il numero di fori sono in eccesso in materia neoformato questi sono chiamati come P semiconduttori di tipo . Nei semiconduttori di tipo P i fori sono portatori di carica maggioritari e gli elettroni sono portatori di carica minoritari.

Diodo di giunzione PN:

Ora, se uniamo i due tipi di semiconduttori di tipo P e tipo N insieme, viene formato un nuovo dispositivo chiamato diodo di giunzione PN. Poiché una giunzione si forma tra un materiale di tipo P e di tipo N, viene chiamata giunzione PN.

La parola diodo può essere spiegata come "Di" significa due e "ode" è ottenuto dall'elettrodo. Poiché il componente appena formato può avere due terminali o elettrodi (uno collegato al tipo P e l'altro al tipo N), viene chiamato diodo o diodo a giunzione PN o diodo semiconduttore.

Il terminale collegato al materiale di tipo P è chiamato anodo e il terminale collegato al materiale di tipo N è chiamato catodo .

La rappresentazione simbolica del diodo è la seguente.

La freccia indica il flusso di corrente che lo attraversa quando il diodo è in modalità polarizzata in avanti, il trattino o il blocco sulla punta della freccia indica il blocco della corrente dalla direzione opposta.

Teoria della giunzione PN:

Abbiamo visto come viene realizzato un diodo con semiconduttori P e N ma abbiamo bisogno di sapere cosa succede al suo interno per formare una proprietà unica di consentire la corrente in una sola direzione e cosa accade nel punto esatto di contatto inizialmente alla sua giunzione.

Formazione di giunzione:

Inizialmente, quando entrambi i materiali sono uniti insieme (senza alcuna tensione esterna applicata) gli elettroni in eccesso nel tipo N e i fori in eccesso nel tipo P verranno attratti l'uno dall'altro e vengono ricombinati dove la formazione di ioni immobili (ione donatore e Accettore ionico) si svolge come mostrato nell'immagine sottostante. Questi ioni immobili resistono al flusso di elettroni o buchi attraverso di esso che ora funge da barriera tra i due materiali (la formazione di barriera significa che gli ioni immobili si diffondono nelle regioni P e N). La barriera che ora si forma è chiamata regione di esaurimento . La larghezza della regione di svuotamento in questo caso dipende dalla concentrazione di drogaggio nei materiali.

Se la concentrazione di drogaggio è uguale in entrambi i materiali, gli ioni immobili si diffondono equamente in entrambi i materiali P e N.

Cosa succede se la concentrazione di doping differisce tra loro?

Ebbene, se il drogaggio è diverso, anche l'ampiezza della regione di svuotamento è diversa. La sua diffusione è più nella regione leggermente drogata e meno nella regione fortemente drogata .

Vediamo ora il comportamento del diodo quando viene applicata la tensione corretta.

Diodo in polarizzazione diretta

Esistono numerosi diodi la cui costruzione è simile ma il tipo di materiale utilizzato è diverso. Ad esempio, se consideriamo un diodo a emissione di luce, è costituito da materiali in alluminio, gallio e arseniuro che quando eccitati rilascia energia sotto forma di luce. Allo stesso modo, vengono prese in considerazione variazioni nelle proprietà del diodo come capacità interna, tensione di soglia ecc. E un particolare diodo viene progettato in base a queste.

Qui abbiamo spiegato vari tipi di diodi con il loro funzionamento, il simbolo e le applicazioni:

• Diodo Zener
• GUIDATO
• Diodo LASER
• Fotodiodo
• Diodo varactor
• Diodo Schottky
• Diodo a tunnel
• Diodo PIN ecc.

Vediamo brevemente il principio di funzionamento e la costruzione di questi dispositivi.

Diodo Zener:

Le regioni P e N in questo diodo sono fortemente drogate in modo che la regione di svuotamento sia molto stretta. A differenza di un normale diodo, la sua tensione di rottura è molto bassa, quando la tensione inversa è maggiore o uguale alla tensione di rottura la regione di svuotamento scompare e una tensione costante passa attraverso il diodo anche se la tensione inversa viene aumentata. Pertanto, il diodo viene utilizzato per regolare la tensione e mantenere una tensione di uscita costante quando adeguatamente polarizzata. Ecco un esempio di limitazione della tensione utilizzando Zener.

La rottura del diodo Zener è chiamata rottura dello zener . Significa che quando la tensione inversa viene applicata al diodo zener, si sviluppa un forte campo elettrico alla giunzione che è sufficiente per rompere i legami covalenti all'interno della giunzione e provoca un grande flusso di corrente attraverso. Il guasto Zener è causato a tensioni molto basse rispetto al guasto da valanga.

Esiste un altro tipo di guasto chiamato guasto da valanga generalmente visto nel diodo normale che richiede una grande quantità di tensione inversa per interrompere la giunzione. Il suo principio di funzionamento è quando il diodo è polarizzato inversamente, piccole correnti di dispersione passano attraverso il diodo, quando la tensione inversa aumenta ulteriormente anche la corrente di dispersione aumenta che sono abbastanza veloci da rompere pochi legami covalenti all'interno della giunzione questi nuovi portatori di carica si rompe ulteriormente i restanti legami covalenti provocano enormi correnti di dispersione che possono danneggiare il diodo per sempre.

Diodo a emissione luminosa (LED):

La sua costruzione è simile a un semplice diodo ma vengono utilizzate varie combinazioni di semiconduttori per generare diversi colori. Esso funziona in modalità polarizzata. Quando avviene la ricombinazione dell'elettrone, viene rilasciato un fotone risultante che emette luce, se la tensione diretta viene ulteriormente aumentata verranno rilasciati più fotoni e aumenta anche l'intensità della luce ma la tensione non dovrebbe superare il suo valore di soglia altrimenti il ​​LED viene danneggiato.

Per generare diversi colori, le combinazioni vengono utilizzate AlGaAs (Aluminium Gallio Arsenide) - rosso e infrarosso, GaP (Gallium Phosphide) - giallo e verde, InGaN (Indium Gallium Nitride) - LED blu e ultravioletti ecc. Controllare un circuito LED semplice Qui.

Per un LED IR possiamo vedere la sua luce attraverso una telecamera.

Diodo LASER:

LASER è l'acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Una giunzione PN è formata da due strati di arseniuro di gallio drogato in cui un rivestimento altamente riflettente viene applicato a un'estremità della giunzione e un rivestimento riflettente parziale all'altra estremità. Quando il diodo è polarizzato in avanti in modo simile al LED, rilascia fotoni, questi colpiscono altri atomi in modo tale che i fotoni vengano rilasciati eccessivamente, quando un fotone colpisce il rivestimento riflettente e colpisce di nuovo la giunzione più fotoni rilasciano, questo processo si ripete e un fascio ad alta intensità di luce viene rilasciata in una sola direzione. Il diodo laser necessita di un circuito driver per funzionare correttamente.

La rappresentazione simbolica di un diodo LASER è simile a quella del LED.

Fotodiodo:

In un fotodiodo, la corrente che lo attraversa dipende dall'energia della luce applicata alla giunzione PN. Funziona in polarizzazione inversa. Come discusso in precedenza, una piccola corrente di dispersione scorre attraverso un diodo quando polarizzato inversamente, che viene qui chiamato corrente oscura . Poiché la corrente è dovuta alla mancanza di luce (oscurità), si chiama così. Questo diodo è costruito in modo tale che quando la luce colpisce la giunzione è sufficiente rompere le coppie di lacune elettroniche e generare elettroni che aumentano la corrente di dispersione inversa. Qui puoi controllare il fotodiodo che funziona con LED IR.

Diodo Varactor:

È anche chiamato diodo Varicap (condensatore variabile). Si opera in modalità polarizzazione inversa. La definizione generale di una separazione del condensatore della piastra conduttrice con un isolante o un dielettrico, quando un diodo normale è polarizzato inversamente, la larghezza della regione di svuotamento aumenta, poiché la regione di svuotamento rappresenta un isolante o un dielettrico può ora agire come condensatore. Con la variazione della tensione inversa, la separazione delle regioni P e N varia facendo sì che il diodo funzioni come condensatore variabile.

Poiché la capacità aumenta con la diminuzione della distanza tra le piastre, la grande tensione inversa significa la bassa capacità e viceversa.

Diodo Schottky:

Il semiconduttore di tipo N è unito al metallo (oro, argento) in modo tale che nel diodo siano presenti elettroni ad alto livello di energia, questi sono definiti come portatori caldi, quindi questo diodo è anche chiamato diodo portante caldo . Non ha portatori di minoranza e non esiste alcuna regione di esaurimento piuttosto esiste una giunzione semiconduttore metallica, quando questo diodo è polarizzato in avanti agisce come conduttore ma la carica ha alti livelli di energia che sono utili nella commutazione rapida specialmente nei circuiti digitali, anche questi sono utilizzato nelle applicazioni a microonde. Controlla il diodo Schottky in azione qui.

Diodo a tunnel:

Le regioni P e N in questo diodo sono fortemente drogate in modo tale che l'esistenza di un esaurimento è molto stretta. Presenta una regione di resistenza negativa che può essere utilizzata come oscillatore e amplificatori a microonde. Quando questo diodo è polarizzato in avanti per primo, poiché la regione di svuotamento è stretta nel tunnel degli elettroni attraverso di essa, la corrente aumenta rapidamente con una piccola variazione di tensione. Quando la tensione viene ulteriormente aumentata, a causa dell'eccesso di elettroni alla giunzione, l'ampiezza della regione di svuotamento inizia ad aumentare causando il blocco della corrente diretta (dove si forma la regione di resistenza negativa) quando la tensione diretta viene aumentata ulteriormente agisce diodo normale.

Diodo PIN:

In questo diodo, le regioni P e N sono separate da un semiconduttore intrinseco. Quando il diodo è polarizzato inversamente, agisce come un condensatore a valore costante. In condizione di polarizzazione diretta, agisce come una resistenza variabile controllata dalla corrente. Viene utilizzato nelle applicazioni a microonde che devono essere controllate dalla tensione CC.

La sua rappresentazione simbolica è simile a un normale diodo PN.

Applicazioni dei diodi:

• Alimentazione regolata: praticamente è impossibile generare tensione DC, l'unico tipo di sorgente disponibile è la tensione AC. Poiché i diodi sono dispositivi unidirezionali, possono essere utilizzati per convertire la tensione CA in CC pulsante e con ulteriori sezioni di filtraggio (utilizzando condensatori e induttori) è possibile ottenere una tensione CC approssimativa.

• Circuiti sintonizzatore: nei sistemi di comunicazione all'estremità del ricevitore, poiché l'antenna riceve tutte le frequenze radio disponibili nello spazio, è necessario selezionare una frequenza desiderata. Quindi, vengono utilizzati circuiti sintonizzatore che non sono altro che il circuito con condensatori e induttori variabili. In questo caso può essere utilizzato un diodo varactor.

• Televisori, semafori, tabelloni: per visualizzare le immagini sui televisori o sui tabelloni vengono utilizzati dei LED. Poiché il LED consuma molto meno energia, è ampiamente utilizzato nei sistemi di illuminazione come le lampadine a LED.

• Regolatori di tensione: poiché il diodo Zener ha una tensione di rottura molto bassa, può essere utilizzato come regolatore di tensione se polarizzato inversamente.

• Rivelatori nei sistemi di comunicazione: un noto rivelatore che utilizza diodi è un rivelatore a inviluppo che viene utilizzato per rilevare i picchi del segnale modulato.