diodo

Elemento circuitale bipolare, non lineare, a semiconduttore, che presenta una caratteristica tensione-corrente asimmetrica e una conducibilità fortemente unidirezionale. I d. trovano applicazione in vari circuiti che realizzano particolari caratteristiche non lineari, come i circuiti logici o i dispositivi di conversione di frequenza. In particolare sono usati nei circuiti raddrizzatori in cui una tensione alternata è convertita in una tensione a valore medio diverso da zero. Altri casi riguardano i circuiti rivelatori, usati nelle telecomunicazioni, e più in generale i mixer (o mescolatori di frequenza) usati nei dispositivi di conversione di frequenza nelle bande da qualche kHz fino a parecchi GHz.

D. ideale

Nella teoria delle reti elettriche, è definito così il d., la cui caratteristica tensione-corrente può essere descritta con un andamento lineare a tratti costituito da due regioni distinte. Nella prima regione, al di sotto di una data tensione elettrica applicata tra i due terminali (tensione di soglia), il d. ideale equivale a un circuito aperto, cioè a un resistore dotato di resistenza elettrica infinita, mentre al di sopra di questo valore di tensione il d. ideale permette il flusso della corrente elettrica, risultando equivalente a un corto circuito, quindi a un resistore dotato di resistenza nulla. Le differenze tra i d. ideali e quelli reali sono principalmente nella caratteristica tensione-corrente, per questi ultimi non approssimabile con un andamento lineare a tratti, nei valori massimi ammissibili di corrente diretta e tensione inversa e nella massima frequenza utilizzabile. Nel d. a vuoto, il catodo è termoelettronico e gli elettroni emessi possono attraversare il d. secondo un verso solo se in presenza di un campo elettrico di opportuna polarità.

D. a giunzione

Una giunzione p-n è un cristallo semiconduttore (➔) composto da due zone, una drogata di tipo p (cioè con eccesso di lacune) e l’altra di tipo n (con eccesso di elettroni). Questa struttura determina la formazione di una regione priva dei portatori di carica chiamata regione di svuotamento (o regione di carica spaziale o regione di transizione), nella quale si localizza una barriera di potenziale che impedisce il passaggio dei portatori di carica maggioritari (elettroni nella zona n e lacune nella zona p) e permette quello dei portatori di minoranza (elettroni nella zona p e lacune nella zona n). L’altezza della barriera di potenziale è proporzionale allo spessore della regione di svuotamento, il quale può essere variato mediante una tensione esterna di polarizzazione. La polarizzazione inversa, ovvero la connessione del terminale positivo dell’alimentatore alla zona di tipo n e quello negativo alla zona p, produce un allargamento della regione di svuotamento con conseguente aumento dell’altezza della barriera di potenziale, la quale, a sua volta, blocca i portatori maggioritari e consente il passaggio di quelli minoritari, dando luogo a una debole corrente attraverso la giunzione, chiamata corrente di saturazione inversa. Questo comportamento è valido finché la tensione inversa è mantenuta al di sotto della tensione di rottura (o di breakdown), dell’ordine di alcuni volt, superata la quale si innescano dei meccanismi di moltiplicazione dei portatori di carica che generano elevate correnti inverse. In polarizzazione diretta, invece, ottenuta connettendo il terminale positivo dell’alimentatore alla zona p e quello negativo alla zona n, la regione di svuotamento si stringe, l’altezza della barriera di potenziale diminuisce e i portatori di maggioranza, oltre a quelli di minoranza, possono attraversare la giunzione, generando la corrente diretta nel diodo. Affinché i portatori di maggioranza superino la barriera di potenziale, la tensione di polarizzazione diretta deve superare un valore di soglia V_t, che nella maggior parte dei d. è di circa 0,7 V. La legge che governa la relazione tra tensione e corrente nel d. a giunzione è: I_D=I_S[exp(V_D/nV_T)–1]; dove I_D e V_D sono, rispettivamente, la corrente che scorre nel d. e la tensione a esso applicata, I_S è la corrente di saturazione inversa, n un coefficiente che dipende dal semiconduttore utilizzato e V_T la tensione termica, la quale vale, a temperatura ambiente, circa 25 mV.

fig. 1

I parametri funzionali più importanti dei d. a giunzione sono essenzialmente la tensione inversa massima, la corrente inversa, la corrente diretta massima e la temperatura massima alla giunzione. La tensione inversa massima (compresa tra pochi volt e qualche migliaio di volt) è la tensione massima che il d. può sopportare quando è polarizzato inversamente, superata la quale si instaura nel semiconduttore una sorta di scarica distruttiva. La corrente inversa, misurata a una frazione della tensione massima, ha valori compresi tra qualche picoampere e qualche milliampere; tale valore dipende dal materiale semiconduttore utilizzato, è proporzionale all’area di giunzione e dipende esponenzialmente dalla temperatura di quest’ultima. La corrente diretta massima, di particolare importanza nell’impiego dei d. come raddrizzatori, ha valori compresi tra le centinaia di mA e le centinaia di A, ed è limitata, tra l’altro, dalla dissipazione di potenza nel d. (pari al prodotto tra il valore della corrente e della caduta diretta di tensione). La temperatura massima della giunzione (che dipende dal materiale semiconduttore di cui è fatto il d.) è quella che non deve essere assolutamente superata se non si vuole danneggiare irreparabilmente il d., e costituisce una importante limitazione nel suo funzionamento. La caratteristica tensione-corrente di un d. a giunzione è mostrata in fig. 1.

D. emettitori di luce Realizzati con particolari semiconduttori e comunemente indicati con la sigla LED (light emitting diode), sfruttano l’effetto fotoelettronico inverso che si verifica in una giunzione p-n quando è polarizzata direttamente, vale a dire l’emissione di energia radiante entro lo spettro visibile, in conseguenza della transizione degli elettroni liberi dalla banda di conduzione alla banda di valenza, all’atto della loro ricombinazione con le lacune. Non tutti i semiconduttori irradiano nel visibile con energia sufficiente per le applicazioni; il germanio e il silicio emettono prevalentemente fotoni con lunghezza d’onda λ compresa nel campo dell’infrarosso. I materiali semiconduttori utilizzati commercialmente per realizzare i LED sono tipicamente i composti intermetallici del III-V gruppo. I tipici contenitori dei LED sono di resina epossidica, spesso con la parte superiore costituente un diottro emisferico: le caratteristiche fotometriche di emissione dipendono in maniera sensibile dalla posizione della superficie emittente rispetto al centro del diottro.

D. laser Sono anche chiamati laser a semiconduttore, cioè laser nei quali l’emissione stimolata di luce coerente ha luogo in una giunzione p-n.

fig. 2

D. a effetto tunnel Il funzionamento di questi d. a giunzione è descritto da una caratteristica tensione-corrente (fig. 2) che presenta, nella zona di conduzione diretta, un tratto in cui l’intensità della corrente diminuisce all’aumentare della tensione, in cui cioè la resistenza differenziale è negativa. Tale proprietà, dovuta alle caratteristiche intrinseche e al drogaggio molto elevato dei semiconduttori p e n costituenti il d., deriva dal fatto che, per opportuni valori della tensione di polarizzazione diretta (tra circa 0,03 e 0,1 V), si ha passaggio di portatori di cariche attraverso la barriera di potenziale per effetto tunnel. Il tratto a resistenza differenziale negativa rende tali d., noti anche, dal nome del loro ideatore, come d. di Esaki, adatti a realizzare oscillatori anche ad altissima frequenza (alcuni GHz), circuiti a scatto e amplificatori e filtri di elevata qualità.

D. backward (o inversi) Sono d. realizzati con elevato drogaggio delle zone p e n costituenti la giunzione, anche se non si raggiungono i valori caratteristici dei d. tunnel. Questa soluzione costruttiva permette di ottenere una sottile regione di svuotamento che a sua volta produce un abbassamento della tensione di rottura inversa. Quindi, presentando una resistenza inversa molto bassa, anche per piccoli valori di polarizzazione inversa si ha passaggio di corrente. Avendo un drogaggio minore rispetto ai d. a effetto tunnel, quest’ultimo risulta sensibilmente ridotto o addirittura assente, con appiattimento del picco di corrente nella caratteristica diretta tensione-corrente. I d. backward sono usati come rivelatori a larga banda per microonde e in circuiti a elevata velocità di commutazione, con limiti di potenza molto ridotti.

D. a capacità variabile Indicati spesso mediante i nomi commerciali varactor o varicap, sono d. a semiconduttore drogati intensamente e con area di giunzione ridotta. Polarizzati inversamente, si sfrutta la sensibile modificazione dello spessore della zona di svuotamento con la tensione applicata per realizzare reattanze capacitive variabili. La capacità massima è di alcune centinaia di pF nei modelli più grandi, anche se i valori tipici sono intorno al pF, con rapporti C_max/C_min maggiore di 15. Trovano impiego nella realizzazione di amplificatori parametrici, moltiplicatori di frequenza, mescolatori, circuiti di sintonia automatica per VHF e microonde e oscillatori controllati in tensione (VCO).

Fotodiodi Particolari d. che, in polarizzazione inversa, svolgono la funzione di sensori ottici, capaci di trasformare una radiazione luminosa, avente una determinata lunghezza d’onda, in un segnale elettrico. Infatti, se un fotone incide sulla superficie del fotodiodo, la sua energia causa la formazione di una coppia elettrone-lacuna libera soggetta al campo elettrico dovuto alla tensione inversa applicata, generando la corrente inversa che rappresenta il segnale elettrico.

fig. 3

D. Zener Sono d. che presentano, nella zona di conduzione inversa della caratteristica tensione-corrente, un tratto (AB nella fig. 3) in cui la tensione resta praticamente costante al variare, entro limiti abbastanza estesi, dell’intensità della corrente: il valore V_z della tensione a cui ciò accade è detto tensione di Zener, e corrente di Zener viene detto il valore massimo di corrente i_z raggiungibile a tensione costante senza che il d. si danneggi. Nei dispositivi con i valori più bassi della tensione di Zener (fino a circa 8 volt) il funzionamento è assicurato dall’effetto descritto intorno al 1940 dall’inglese C. Zener: in una giunzione p-n fortemente drogata basta una tensione inversa di valore relativamente piccolo per creare un campo elettrico sufficiente a provocare direttamente la ionizzazione degli atomi della regione di giunzione. Nei dispositivi con valori più elevati della tensione di Zener prevale invece l’effetto valanga: i portatori di carica vengono accelerati al punto di acquistare energia sufficiente a ionizzare gli atomi, con conseguente fenomeno di moltiplicazione. I d. Zener trovano importanti applicazioni come stabilizzatori di tensione nel campo che va da qualche volt a diverse centinaia di volt. Con particolari accorgimenti tecnologici e circuitali si realizzano d. Zener con tensione di Zener molto precisa e stabile, usati come sorgenti di tensione di riferimento in applicazioni di precisione.

D. a tempo di transito

Questi d., costituiti da tre o più zone con diversi drogaggi a varie intensità, sono basati su principi di funzionamento, almeno in parte, diversi da quelli dei d. a giunzione. Si realizzano efficaci dispositivi a microonde con resistenza differenziale negativa sfruttando il tempo di transito dei portatori di carica attraverso il d., vale a dire il ritardo esistente tra la causa, che dà luogo alla generazione dei portatori, e l’effetto, consistente nella corrente indotta nel circuito esterno.

D. IMPATT (impact ionization avalanche transit time). In questo d. le cariche libere – ottenute con il meccanismo di moltiplicazione a valanga per impatto nella regione di svuotamento di una giunzione polarizzata inversamente – si spostano lungo il cristallo a velocità ridotta e costante se il campo elettrico realizzato ha intensità superiore a quella di saturazione. Per i d. IMPATT si hanno le realizzazioni: Read, con drogaggio n+-p-i-p+ o p+-n-i-n+ (dove con n+ e p+ sono indicati drogaggi molto spinti e con i l’assenza di drogaggio), a giunzione brusca, drogato p+-n-n+, e Misawa, drogato p-i-n. Analogo a un d. IMPATT p+-p-n+ e derivato da questo è il d. TRAPATT (trapped plasma avalanche transit time), in cui la formazione dei portatori di carica non avviene in una zona fissa ma su tutto il cristallo, lungo il fronte di una configurazione di campo elettrico che, muovendosi molto velocemente in senso longitudinale, genera per ionizzazione a valanga una elevata concentrazione di cariche (plasma) ‘intrappolate’ nel dispositivo. Il d. TRAPATT presenta, rispetto al d. IMPATT, un rendimento di potenza maggiore, ma con peggiori caratteristiche di rumore.

D. BARRITT (barrier injection transit time). Questo d. è semplicemente costituito da una barretta di silicio tipo n formante con gli elettrodi terminali di platino due contatti raddrizzanti in opposizione tra loro. Il dispositivo viene impiegato sovrapponendo al segnale a microonde una tensione di polarizzazione tale da fare congiungere le zone di svuotamento delle due giunzioni, una polarizzata direttamente e l’altra inversamente. L’interesse del d. BARRITT, realizzato anche con giunzioni di silicio tipo p+-n-p o p+-n-i-p, risiede nella sua semplicità costruttiva e nel basso rumore associato al suo funzionamento. Per queste caratteristiche i d. BARRITT sono usati in oscillatori locali e rivelatori doppler per microonde.

D. Gunn Denominati anche d. a trasferimento di elettroni, sono schematicamente costituiti da una barretta di materiale semiconduttore (tipicamente di arseniuro di gallio), avente una particolare configurazione delle bande energetiche, alle cui estremità sono realizzati due reofori; se l’intensità del campo elettrico nella barretta supera un determinato valore di soglia (diversi kV/cm nel GaAs), si verifica un’atipica transizione degli elettroni liberi tra bande di conduzione diverse caratterizzata da una sensibile diminuzione della mobilità elettronica nel cristallo (effetto Gunn, scoperto da J.B. Gunn nel 1963). Ne consegue una diminuzione della velocità media dei portatori di carica con il campo elettrico applicato e, in definitiva, una resistenza differenziale negativa del d. per tensioni di polarizzazione superiori alla soglia del fenomeno. Sovrapponendo alla polarizzazione una tensione variabile, si hanno funzionamenti diversi a seconda delle dimensioni del cristallo rispetto alla lunghezza d’onda del segnale applicato. Se la lunghezza della barretta è sufficientemente piccola, in modo che la carica iniettata nel catodo non cresca sensibilmente nell’attraversare la barretta medesima, la distribuzione del campo elettrico è stazionaria e il dispositivo presenta una resistenza negativa che ne consente l’impiego per realizzare amplificatori e oscillatori a microonde; viceversa, se la barretta è sufficientemente lunga, la distribuzione del campo non è stazionaria e si ha una configurazione di carica spaziale, ad alta concentrazione localizzata, seguita da una zona di svuotamento che si sposta lungo la barretta, tipica dei dispositivi a onda viaggiante. In questo secondo caso, il d. si presta alla realizzazione di dispositivi più complessi, denominati genericamente dispositivi a effetto Gunn.

D. PiN

La struttura del d. PiN presenta una regione molto spessa, non drogata o con drogaggio molto debole, detta regione intrinseca, interposta fra le due zone n e p. Tale regione intrinseca è necessaria per aumentare la tensione di rottura. Sono molto usati nel campo delle microonde, per es., come attenuatori variabili o come modulatori d’ampiezza, presentando una impedenza tra i terminali variabile con continuità da valori molto grandi a piccoli valori, a seconda della tensione di polarizzazione. Per elevati spessori dello strato intrinseco, sono utilizzati come trasduttori ottico-elettrici (fotodiodi) nei sistemi a fibra ottica.

D. Schottky (o hot carrier)

D. in cui la giunzione rettificatrice, di piccolissima estensione superficiale, è realizzata tra un metallo (di solito oro) e un semiconduttore di tipo n poco drogato, tipicamente silicio o arseniuro di gallio (giunzione di Schottky). Rispetto ai normali d. a giunzione p-n presentano una più elevata conducibilità per polarizzazioni dirette, una minore caduta di potenziale in conduzione (0,2-0,3 V circa) e un tempo di recupero particolarmente basso. Trovano diffuso impiego sia nei circuiti digitali a elevata velocità di commutazione sia come rivelatori o mescolatori per microonde.

D. Shockley (o a quattro strati)

D. multigiunzione a silicio usati in elettronica industriale come interruttori statici di bassa potenza ad alta velocità di commutazione, con tempi dell’ordine del ms. Il d. Shockley è schematicamente costituito da quattro regioni adiacenti con drogaggio alternato, p-n-p-n: ciò lo rende equivalente alla serie di tre d. normali collegati con versi di conduzione opposti tra loro. Polarizzato direttamente risulta praticamente interdetto (stato off) fintanto che non si raggiunga la tensione di rottura della giunzione centrale, per la quale (tensione di innesco del d. Shockley) si instaura un regime di conduzione del tipo a valanga (stato on) che riduce sensibilmente la resistenza diretta. Perché avvenga il disinnesco, è sufficiente che l’intensità della corrente scenda, anche per pochi istanti, al di sotto di un determinato valore, detto corrente di mantenimento. Polarizzati inversamente, presentano bassissima conducibilità fino a che la tensione applicata si mantiene inferiore a quella di rottura di entrambe le giunzioni laterali.