Semiconduttori¶
In elettronica si distinguono i materiali come:
conduttori (es.: alluminio, ottone, rame, acciaio), con valori di resistività dell’ordine di \(10^{-8} \quad \Omega m\);
semiconduttori (silicio, germanio), resistività da 0.5 a \(10^{3} \quad \Omega m\),
isolanti (es.: vetro, mica, PVC, gomma), resistività \(\geq 10^{10} \quad \Omega m\).
Diodi¶
La seguente immagine 1 riporta la curva tensione-corrente caratteristica di un diodo:
Il primo quadrante rappresenta la condizione di polarizzazione diretta (forward bias condition). Per voltaggi inferiori alla barriera di potenziale \(V_d\) la corrente è estremamente bassa. Mentre superando \(V_d\) si ha praticamente una conduzione totale (cortocircuito).
Il terzo quadrante indica la condizione di polarizzazione inversa. Applicando tensioni negative si ha una bassissima corrente finché non si supera la tensione di breakdown (\(V_{br}\)), oltre la quale si ha nuovamente un cortocircuito.
In pratica si ha il comportamento di un interruttore. Con la differenza che viene comandato elettricamente invece che meccanicamente.
I diodi zener possono operare in polarizzazione inversa, permettendo così di stabilizzare una tensione a valori voluti. Ad es. 5 V.
I due terminali del diodo sono:
anodo (A), positivo;
e catodo (K), negativo.
In ppolarizzazione diretta, l’anodo è positivo rispetto il catodo, e si ha presenza di corrente dal catodo all’anodo. Quando l’anodo è negativo rispetto il catodo, si ha polarizzazione inversa. In tale condizione usualmente non vi è corrente.
Come modello ideale di un diodo si adotta uno switch. Un modello più realistico prevede la barriera di potenziale a circa 0.7 V (per il silicio) inserendo un generatore di tensione inversa rispetto il generatore esterno.
Un modello completo inserisce anche una piccola resistenza in serie ad interruttore chiuso, e una grande in parallelo ad interruttore aperto.
Raddrizzatore a semionda¶
Un diodo in serie a una resistenza implementa un raddrizzatore a semionda (half-wave rectifier). Se si collega un generatore sinusoidale di tensione, come indicato qui sotto,
quando il generatore polarizza direttamente il diodo, questo cortocircuita facendo passare la tensione 2; mentre quando il generatore polarizza inversamente il diodo, questo blocca la tensione.
Il risultato in uscita è la semionda positiva del generatore. Quella negativa viene eliminata. Se \(V_{p(out)} = V_{p(in)} - 0.7 V\) 3 è la tensione di picco in uscita dal diodo, la tensione media in uscita è data da:
Raddrizzatore a doppia semionda¶
Un gruppo di diodi collegati in modo opportuno può realizzare l’inversione della polarizzazione di un segnale di tensione, ottenendo così un raddrizzatore a doppia semionda (full wave rectifier).
In questo caso il valore medio della tensione in uscita è il doppio di quello del raddrizzatore a semionda:
Nel caso più semplice, si utilizza un trasformatore ad inversione di fase (centered-tapped tranformer), che ha il seguente schema di funzionamento:
Se alle uscite secondarie di un trasformatore siffatto si pongono due diodi, questi si troveranno a cortocircuitare ognuno la metà positiva del proprio segnale. Ricomponendo le uscite, si ottiene un segnale raddrizzato sia nel positivo che nel negativo.
Altrimenti si può ricorrere al raddrizzatore a ponte (full-wave bridge rectifier, o Windstone bridge). Questo consiste in quattro diodi: due coppie in parallelo, con ogni coppia collegata in serie:
In questo schema si sosserva che quando al ponte arriva una tensione positiva, la coppia di diodi \(D_1\) e \(D_3\) sono polarizzati in modo diretto, mentre \(D_2\) e \(D_4\) sono polarizzati in modalità inversa (circuito aperto). Quindi \(D_1\) cortocircuita verso la resistenza di carico, mentre \(D_3\) apre verso la sua massa. In tal modo la corrente può fluire da \(M_1\) ad \(M_2\) passando per l’avvolgimento secondario.
Quando la tensione dal secondario è negativa, lo stato di diodi si inverte rispetto quanto precedentemente descritto. Ora sono \(D_2\) e \(D_4\) ad essere polarizzati direttamente. E la corrente può fluire da \(M_2\) a \(M_1\) attraverso il secondario.
Diodo Zener¶
Con i diodi Zener, è normale lavorare nella regione a polarizzazone inversa, per stabilizzare un potenziale su valori ben definiti.
Diodo LED¶
I LED (Light Emitting Diode) usano l’effetto di elettroluminescenza per rilasciare energia in forma di calore e luce quando sono polarizzati in modo diretto (forward bias).
L’energia emessa è proporzionale all’intenstà della corrente. Esistono LED in grado di emettere luce coerente (LASER).
Fotodiodo¶
Un fotodiodo è sensibile alla presenza di luce, ed opera in polarizzazione inversa (reverse bias).
In oscurità un fotodiodo in reverse bias emette corrente di intensità trascurabile (dark current).
Via via che l’illuminazione aumenta, aumenta la corrente inversa. La relazione tra irraggiamento luminoso (\(mW / cm^2\)) e corrente inversa (\(I_{\lambda}\)) è quasi lineare.
- 1
Grafico da Wikimedia Commons, concesso con licenza GNU Free Documentation License.
- 2
A meno del generatore interno di tensione del diodo.
- 3
Nel caso del silicio, 0.7 V è la barriera di potenziale \(V_d\). I diodi al germanio hanno \(V_d \approx 0.5 \; V\).