I diodi: Appunti di un dilettante (Prima parte).
Indice
Tutto il materiale da me usato proviene da una varieta' di fonti: Internet, libri, documenti sonori, filamti e appunti delle lezioni. Nel caso che la fonte assuma una forte rilevanza riportero' tutti i dati a mia dispoisizione. Comunque tutti i nomi, i marchi e quanto altro riferito e' fatto solo a fini illustrativi e senza altro scopo se non quello di studio.
Premessa
Ho cercato di mettere in queste pagine quanto ho appreso in un anno, il 2010, della mia ripresa dello studio su questi componenti elettronici.
Ove possibile, o meglio ove sono stato capace, accompagno quanto scritto con prove pratiche.
Questo materiale che potrei mettere a disposizione anche in forma PDF vorrei fosse considerato un contributo ad una esemplificazione sistematica, ma mi aspetto che la comunita' mi aiuti a migliorarlo dato che cerchero' di aggiornare con quanto andro' apprendendo e sperimentando o con quanto mi sara' suggerito, il tutto compatibilmente con le mie condizioni personali.
Conduttori, isolanti, semiconduttori
La corrente elettrica viene trasmessa nei materiali che possono essere divisi in tre gruppi: conduttori, isolanti e semiconduttori.
I conduttori sono materiali attraverso i quali la corrente elettrica scorre facilmente dato che hanno un gran numero di elettroni liberi. Tutti i metalli sono conduttori ma l’elettricità non passa allo stesso modo facilmente in tutti i conduttori. I migliori conduttori sono argento, oro, rame e alluminio.
L’acqua pura non è un buon conduttore di elettricità.
Gli isolanti sono materiali che hanno una bassa quantità di elettroni liberi e pertanto la loro conducibilità elettrica è estremamente bassa, in alcuni casi si può supporre nulla. Alcuni materiali non metallici come plastica, gomma, vetro, nylon, porcellana, etc. sono isolanti; anche i gas non ionizzati sono isolanti.
I semiconduttori rappresentano l’altro insieme di materiali che conducono elettricità, la loro caratteristica è quella di avere poche cariche per la conduzione elettrica, e quindi sotto l'azione di campi elettrici queste cariche diventano facilmente controllabili, inoltre le cariche si possono aumentare o diminuire con un procedimento chimico detto drogaggio.
Queste due caratteristiche li differiscono dai conduttori e dagli isolanti, in quanto i conduttori non sono controllabili vista l'elevata quantità di elettroni in conduzione, mentre per gli isolanti sono necessari campi elettrici troppo elevati.
I semiconduttori sono dei non metalli, fondamentalmente isolanti, ma diventano conduttori quando, durante la fase di produzione, viene loro aggiunte delle impurità oppure quando vengono sottoposti a temperature elevate. Il silicio viene considerato il semiconduttore più importante, ma ce ne sono altri quali germanio e selenio.
Ci sono alcuni metalli, per esempio il piombo, o leghe di metalli, la cui resistenza al flusso di elettroni è minima a temperature molto basse. Essi sono chiamati superconduttori.
La legge di Ohm - il livello macroscopico
Il trasporto dell'elettricita' nei conduttori, nell'aspetto macroscopico, e' descritto da questa formula:
R= V/I
R è la resistenza tra gli estremi del conduttore
V la tensione a cui è sottoposto il conduttore
I è l'intensità di corrente che attraversa il conduttore
Nel sistema internazionale l'unità di misura della resistenza elettrica è l'ohm, indicato con la lettera greca maiuscola omega Ω.
Questa legge definisce sostanzialmente la grandezza resistenza elettrica R, il cui interesse consiste nel fatto che essa, per molti solidi e in particolare per i buoni conduttori, è costante al variare della tensione V e della corrente I
Ciò rende la relazione fra tensione e corrente un buon esempio di relazione lineare in materiali, come i metalli, la linearità della relazione è ben rispettata su molti ordini di grandezza di variazione di V o di I, se si ha cura di mantenere costante la temperatura.
Può essere utile un richiamo storico che inquadri il significato che ebbe la legge di Ohm che quando enunciata da parte di G.S. Ohm nel 1826 rappresentò al tempo una vera e propria rivoluzione nel modo di descrivere fenomeni elettrici nei conduttori, e proprio per questo motivo stentò ad essere accettata dalla comunità scientifica dell’epoca: essa segnò sostanzialmente il passaggio dal modo di pensare elettrostatico al modo di pensare elettrodinamico.
Il livello microscopico
La prima cosa da dire è che nei solidi esistono dei portatori di carica mobili, ma che essi non sono completamente liberi come invece sono ad esempio gli elettroni che si muovono in un tubo catodico sotto l’azione di un campo elettrico.
La prima cosa da esaminare e' la relazione tra differenza di potenziale e corrente per un gas di elettroni che viaggia indisturbato in una zona in cui è presente un campo elettrico: è importante per capire poi l’effetto del disturbo creato dagli ioni del reticolo cristallino.
Il calcolo del valore medio è un tipico modo di procedere della meccanica statistica a cui si ricorre necessariamente per trattare sistemi di molte particelle come sono appunto gli elettroni di conduzione in un metallo.
Non e' questo il documento in cui sviluppare le leggi quantistiche della resistenza elettrica. Le mie conoscenze attuali non mi permettono di addentrarmi autonomamente in questo argomento.
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Nozioni di base
La tecnologia elettronica ha vissuto una rivoluzione nel 1948 con l'invenzione del transistor, questo piccolo dispositivo realizza approssimativamente lo stesso effetto della valvola Audion ma in uno spazio enormemente inferiore e con meno materiale.
I transistori controllano il flusso di elettroni con una sostanza solida semiconduttrice piuttosto che attraverso un campo elettrico nel vuoto, e così la tecnologia è spesso definita come elettronica allo stato solido.
Un dispositivo attivo è ogni tipo di componente circuitale con la capacità di controllare elettricamente il flusso degli elettroni (energia elettrica che controlla energia elettrica). I dispositivi attivi comprendono, ma non sono limitati a, tubi a vuoto, transistor, raddrizzatori controllati al silicio (SCR), e triac.
I componenti incapaci di controllare la corrente elettrica per mezzo di un altro segnale elettrico sono chiamati dispositivi passivi. Le resistenze, i condensatori, gli induttori, i trasformatori, ed anche i diodi sono tutti considerati dispositivi passivi.
Per definire un circuito come elettronico deve contenere almeno un dispositivo attivo.
I dispositivi che utilizzano una tensione statica come segnale di controllo sono, senza sorpresa, chiamati dispositivi controllati in tensione.
I dispositivi che lavorano sul principio di una corrente che controlla un'altra corrente sono conosciuti come dispositivi controllati in corrente.
Per la cronaca, i tubi a vuoto sono dispositivi controllati in tensione, mentre i transistor sono costruiti come dispositivi sia controllati in tensione che in corrente.
Gli atomi
Gli elettroni negli atomi esistono in "nuvole" di probabilità distribuita e non come blocchi discreti di materia che orbitano intorno al nucleo, quasi dei piccoli satelliti, come mostrano le comuni illustrazioni degli atomi.
I singoli elettroni intorno ad un nucleo atomico sono visti come un unico "stato," descritto da quattro numeri quantici: il numero quantico principale, il numero quantico momento angolare, il numero quantico magnetico, e il numero quantico di Spin, o semplicemente spin.
Il numero quantico principale (n - enne) descrive il livello di base o di shell ove si trova un elettrone. Più grande è questo numero, maggiore è il raggio della nuvola elettronica, e maggiore è l'energia dell'elettrone. I numeri quantici principali sono numeri interi positivi.
Il numero quantico momento angolare (l - elle) descrive la forma della nuvola di elettroni all'interno di un particolare livello. Ci sono molti livelli (forme della nube di elettroni) in un dato guscio come livello del numero quantico principale. I numeri quantici del momento angolare sono interi positivi che iniziano da zero e terminano al numero quantico principale meno uno(n-1). Il numero massimo di elettroni che ogni shell può detenere è descritto dalla seguente equazione
2n**2.
Il numero quantico magnetico (m - emme) descrive l'orientamento di un sottolivello quando sottoposto ad un campo magnetico esterno (Forma delle nuvole di elettroni).
Il numero quantico di Spin (ms) descrive un'altra proprietà di un elettrone, e può essere un valore di 1 / 2 o -1 / 2.
Il principio di esclusione di Pauli dice che due elettroni in un atomo possono condividere la stessa coppia di numeri quantici. Pertanto, non più di due elettroni possono occupare ogni orbitale (spin = 1/2 e spin =- 1/2).
La notazione spettroscopica è una convenzione per denotare la configurazione elettronica di un atomo. I serbatoi sono mostrati come numeri interi, seguito da lettere subshell (s, p, d, f), con numeri in apice totale il numero di elettroni che risiedono in ogni subshell rispettivi.
Notazione spettroscopica per l'idrogeno (1 protone): 1s 1
Notazione spettroscopica di elio (2 protoni): 1s 2
Notazione spettroscopica per il litio (3 protoni): 1s 2 2s 1
Elettroni di valenza e cristalli
Il comportamento chimico di un atomo è determinato unicamente dagli elettroni nei livelli vuoti. I livelli inferiori, di livello minore, che sono completamente riempiti hanno poco o nessun effetto sulle caratteristiche di legame chimico degli elementi.
Gli elementi con gusci di elettroni completamente riempiti sono quasi interamente non reattivi e sono chiamati nobili (precedentemente noti come inerti).
Gli elettroni nel guscio più esterno, o guscio di valenza, sono noti come elettroni di valenza.
Questi elettroni di valenza sono responsabili per le proprietà chimiche degli elementi chimici e sono questi elettroni che partecipano alle reazioni chimiche con altri elementi
Gli elementi del gruppo 1: Li, Na, K, Cu, Ag, Au e hanno un solo elettrone di valenza, tutti questi elementi hanno proprietà chimiche simili. Questi atomi sono pronti per dare via un elettrone e reagire con altri elementi. La capacità di dare facilmente via un elettrone rende questi elementi ottimi conduttori.
Gli elementi del gruppo VIIA: Fl, Cl, Br, e I hanno tutti 7 elettroni nel guscio esterno. Questi elementi accettano un elettrone per riempire il guscio esterno di 8 elettroni. Se questi elementi accettano un elettrone, si forma uno ione negativo da un atomo neutro. Questi elementi, che non forniscono elettroni sono isolanti.
Questo è il modo in cui gli atomi di Na e Cl si combinano per formare NaCl, sale da cucina, che è in realtà Na + Cl -, una coppia di ioni. L'atomo neutro di sodio dona un elettrone all'atomo neutro di cloro. Il Na + e Cl - che trasportano cariche opposte si attraggono l'un l'altro.
Gli elementi del gruppo VIII A: He, Ne, Ar, Kr, Xe hanno tutti 8 elettroni di valenza, questi elementi sono buoni isolanti elettrici e sono gas a temperatura ambiente temperatura.
Gli elementi del gruppo IVA: C, Si, Ge, avendo 4 elettroni nel guscio di valenza come illustrato nella figura qui sotto forma dei composti condividendo gli elettroni con gli altri elementi senza formare ioni. La condivisione di elettroni di legame è nota come legame covalente. Si noti che l'atomo di centro (e gli altri per estensione) ha ultimato il suo guscio di valenza condividendo gli elettroni. Si noti che l'immagine è una rappresentazione 2-d del legame, che è nella realtà 3-d. E' questo gruppo, IVA, che ci interessa per la sua proprieta' di semiconduttore - C (6, Carbonio), Si (14 Silicio), Ge (32, Germanio)
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La maggior parte delle sostanze inorganiche formano i loro atomi (o ioni) in una struttura ordinata conosciuta come cristallo. La rigida struttura cristallina è composta da uno schema regolare ripetitivo di ioni Na(sodio) positivi e ioni Cl(cloro) negativi. Una volta che gli atomi Na e Cl hanno formato gli ioni di Na + e Cl- con il trasferimento di un elettrone da Na a Cl, senza elettroni liberi, gli elettroni non sono liberi di muoversi all'interno del reticolo cristallino.
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Anche i semiconduttori del gruppo IV formano di cristalli. Le loro quattro nuvole di elettroni si respingono tra di loro nello spazio tetraedrico equidistante attorno all'atomo di Si, attratte dal nucleo positivo. Ciascun atomo semiconduttore, Si, Ge, o C (diamante), è legato chimicamente ad altri quattro atomi da legami covalenti, di elettroni condivisi. La cella unitaria del diamante è uno schema ripetuto che gli atomi possono adottare quando determinati materiali solidificano. Mentre il primo esempio noto è il diamante, altri elementi del gruppo IV adottano anche questa struttura, tra cui lo stagno, il semiconduttori silicio e germanio e le leghe silicio-germanio in qualsiasi proporzione.
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Il cristallo è in pratica una sola molecola. Un legame covalente atomico ad altri quattro, che a sua volta si vincola ad altri quattro, e così via. La maggior parte dei dispositivi semiconduttori sono fabbricati a partire da cristalli singoli.
La giunzione P-N
E' necessaria dell'energia per rimuovere un elettrone dalla banda di valenza verso una banda superiore occupata, una banda di conduzione. E' richiesta più energia per spostarsi tra livelli, meno tra sotto-livelli.
Poiche' le bande di valenza e di conduzione si sovrappongono nei metalli, una piccola energia rimuove un elettrone, ed i metalli sono ottimi conduttori.
L'ampio divario tra le bande di valenza e di conduzione di un elemento isolatore richiede una grande energia per rimuovere un elettrone, in questo modo gli elementi isolanti non conducono.
I semiconduttori hanno un piccolo spazio che non si sovrappone tra la banda di valenza e di conduzione. I semiconduttori puri non sono ne' buoni conduttori ne' isolanti. I semiconduttori sono semi-conduttori
I materiali intrinsicamente semiconduttori, puri 1 parte su 10 miliardi, sono poveri conduttori. L'aggiunta di un impurità voluta in un semiconduttore è noto come drogaggio (doping).
Il semiconduttore di tipo N (Negativo) è drogato con una impurità pentavalente per creare elettroni liberi. Tale materiale è conduttore, il semiconduttore di tipo P (Positivo), e' drogato con impurità trivalente, ha un'abbondanza di fori liberi. Questi sono portatori di carica positiva. Il materiale di tipo P è conduttore.
La maggior parte dei semiconduttori sono basati su elementi dal gruppo IV A della tavola periodica, il silicio è il più usato. Il germanio e' del tutto obsoleto. Sono in corso sviluppi con il carbonio (Diamante).
I semiconduttori composti come il carburo di silicio (gruppo IVA) e l'arseniuro di gallio (gruppo III-V) sono ampiamente utilizzati.
Diodi e Raddrizzatori
Un diodo è un dispositivo elettrico che permette alla corrente di muoversi attraverso di esso in una direzione con maggiore facilità rispetto all'altra. Il tipo più comune di diodo nei moderni circuiti è il diodo costruito con materiale semiconduttore.
Il termine "diodo" è abitualmente riservata ai dispositivi di piccolo segnale con correnti <= 1 A.
Il termine raddrizzatore viene utilizzato per dispositivi con correnti => 1 A.
Il diodo ideale e' un bipolo, cioe' un componente elettronico passivo non lineare a due terminali, che permettere il flusso di corrente elettrica in una direziene e di bloccarla nell'altra
Il simbolo circuitale del diodo esprime questa caratteristica: il triangolo indica la direzione che permette il flusso di corrente elettrica considerato convenzionalmente positivo, dal polo negativo a quello positivo, mentre la sbarra indica il blocco.
I principali elementi chimici usati per i diodi sono il silicio ed il germanio i cui atomi hanno 4 elettroni nell'orbita piu' esterna e cristallizzando si dispongono in una struttura cubica o tetraedica.
Questa struttura e' tale che ogni atomo componente il cristallo "vede" altri quattro atomi e ciascuno di questi, condividendo un elettrone, si comportano come se avessero nell'ultima orbita un ottetto di elettroni, si dice che il cristallo e' intrinseco ed e' un isolante, cioe' anche per tensioni elevate applicate al cristallo non si ha un apprezzabile passaggio di corrente.
Per esempio se si dispone di un cristallo lungo 4 mm con base quadrata di 0.1 mm2 per avere una corrente di 1μA e' necessario applicare una tensione di un migliaio di volt e questa corrente e' dovuta alla rottura dei legami covalenti per agitazione termica, l'energia necessaria per rompere un legame covalente, cioe per avere un elettrone libero, e' di 1,1 eV per il silicio.
Inserendo nel cristallo piccole quantita' di atomi aventi 5 elettroni nell'ultima orbita (una parte per milione), e' disponibile un elettrone in piu' per chiudere l'ottetto e questo con l'energia termica sara' quasi libero muoversi nel cristallo. Una piccola tensione (decine di mV ) o un'energia di 0.05 eV sono sufficienti per avere un passaggio di corrente elettrica.
Analogamente se il cristallo e' drogato con atomi aventi 3 elettroni nell'ultima orbita si avra' una mancanza di un elettrone per completare l'ottetto cioe si avra' una lacuna, o buco di carica, che si sposta nel cristallo.
Un cristallo di silicio o gemianio drogato con atomi pentavalenti e' chiamato semiconduttore di tipo n, mentre se drogato con atomi trivalenti e' di tipo p.
Un diodo e' "idealmente " costituito da un cristallo di tipo p ed uno di tipo n uniti assieme a formare una giunzione. Da ricordare che il processo costruttivo di una giunzione non e' quello di unire due cristalli gia' drogati. I due cristalli n e p sono elettricamente neutri, ma formando la giunzione gli elettroni in eccesso dovuto agli atomi pentavalenti diffondono nel cristallo p e le lacune o buchi diffondono da p ad n.
Questo processo rapidissimo si ferma quando si crea fra due cristalli un campo elettrico da opporsi ad un ulteriore diffusione, cioe' si e' stabilita una differenza di potenziale fra i due cristalli.
Questa tensione pero' non deve trarre in inganno: la giunzione non e' diventata un generatore, andrebbe contro alle leggi della termodinamica, invece non va contro i principi termodinamici se i due cristalli, tipo n e p si trovano a temperature diverse, in questo caso il diodo funziona da generatore (effetto Seebek) e il fenomeno e' reversibile: facendo passare corrente nella giunzione una parte si riscalda e l'altra di raffredda (effatto Peltier).
Da questa struttura iniziale si sono evoluti nel tempo sia componenti con struttura piu' complessa basati su un principio differente, come i diodi a tempo di transito, sia nuovi dispositivi a tre terminali, come gli SCR e i Triac, che hanno abbandonato il nome di "diodo".
Test dei diodi col multimetro digitale
Alcuni multimetri digitali possono funzionare come un tester per transistor, ma nella maggior parte non rileveranno la caduta di tensione di un diodo perche' la tensione erogata dallo strumento e' sotto 0,7 V e il diodo non viene posto in conducibilità.
Test dei diodi col multimetro analogico
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Ogni multimetro analogico ha una o più scale per la misura degli Ohm,
Per esempio "500" sulla scala significa una lettura massima di 500 Ohm. Altra gamma e' la gamma x1k. "500" sulla scala si legge 500k, impostazione che usiamo per le prove.
All'interno del multimetro e' inserita una batteria (1,5 V o 3 V) e questa fornisce l'energia per spostare l'ago dello strumento.
Un punto molto importante da notare e' la sonda rossa del multimetro che e' collegata al negativo della batteria (all'interno del multimetro) e la sonda nera è collegato al positivo della batteria (tramite una serie di resistenze e il movimento stesso di misura).
Quando la sonda nera è collegata all'anodo di un diodo e la sonda rossa al catodo, come mostrato nelle figure qui sopra, l'ago si muove circa il 90% in tutto il quadrante. (Non si muove pienamente in tutta perché il multimetro sta effettivamente rilevando la caduta di tensione di 0,7 V del diodo e non la sua resistenza reale. Quando la sonda rossa è collegata all'anodo e il puntale nero al catodo, l'ago non si muove affatto.
Nel primo caso il diodo è polarizzato direttamente e si rileva un flusso di corrente. Nel secondo caso il diodo è polarizzato inversamente e non scorre corrente. Il puntatore (ago) indica chiaramente questi due stati.
Tre diodi sotto test
Ho fatto un piccolo test con tre diodi utilizzando il supetester analogico ICE 680 G che mi accomopagno' negli anni '54-'58 quando facevo da spalla ad un grande riparatore di televisori.
Per i test ho utilizzato questi diodi:
OA79 - Diodo al germanio costruito in tutto vetro per l'utilizzo in circuiti di rivelatore am.
RGP10G - Diodo al silicio rettificatore veloce
SELENIO - Rettificatore al selenio, marca e tipo assolutamente non conosciuto. In dotazione del mio parco ricambi per radio d'epoca. Notare che la scala usata sullo strumento e' quella di Ωx1000 per avere una lettira significativa.
ll diodo ideale
La caratteristica tensione-corrente di un diodo ideale potrebbe essere approssimata con quella di un dispositivo resistivo lineare a tratti operante in due regioni distinte e separate.
In una di queste regioni, al di sotto di una data differenza di potenziale tra i due terminali, il diodo ideale puo' essere pensato come una sorta di circuito aperto o come un dispositivo di resistenza elettrica infinita, mentre al di sopra di questa il diodo ideale permette il flusso della corrente elettrica e potra' essere considerato come un resistore dotato di resistenza nulla
La figura a lato confronta le caratteristiche di un diodo ideale a giunzione a sinistra ed una sua approssimazione lineare a tratti a destra.
Quando la differenza di potenziale ai capi del diodo ideale e' maggiore di 0, cioe quando la corrente elettrica fluisce nel verso convenzionalmente positivo, dal polo positivo a quello negativo, si dice che e' polarizzato direttamente, mentre quando la differenza di potenziale e' minore di 0, si dice che e' polarizzato inversamente, nomenclatura che viene utilizzata anche per i diodi reali.
La giunzione semiconduttrice
La giunzione p-n e' un dispositivo formato da due semiconduttori drogati uno di tipo-p ed uno di tipo-n, messi in contatto tra di loro. Nei meccanismi di conduzione della corrente, i portatori liberi tendono a spostarsi dalle zone a concentrazione maggiore verso le zone a concentrazione minore, dando origine alla corrente di diffusione.
Supponiamo allora di avere un cristallo di silicio di tipo n tale che la concentrazione di drogante donatore non sia uniforme ma che vari lungo una certa direzione x, come mostrato nel grafico.
Con ND si indica la concentrazione degli ioni donatori non compensati, per diffusione, gli elettroni tendono a spostarsi da sinistra a destra cio' lascia scoperti gli ioni donori positivi provocando la comparsa di un campo elettrico E , diretto da destra verso sinistra, che impedisce l'ulteriore migrazione dei portatori liberi, il che avviene quando la tendenza degli elettroni a spostarsi per diffusione verso sinistra viene equilibrata da un'identica tendenza a spostarsi per deriva nella direzione opposta a quella del campo elettrico.
Questa situazione di equilibrio tra diffusione e deriva dei portatori liberi si verifica anche nel caso in cui vengono posti in contatto un cristallo di silicio di tipo n e uno di tipo p. Tale struttura prende il nome di giunzione pn, e rappresenta il piu' semplice esempio di dispositivo elettronico allo stato solido.
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Come indico in figura gli elettroni tendono a passare per diffusione nella regione in cui sono minoritari, cosi come le lacune si spostano verso la regione di tipo n per lo stesso fenomeno.
Questa migrazione di portatori liberi lascia scoperta una certa quantita' di ioni positivi donatori nella regione n e altrettanti ioni negativi accettori nella regione p.
La regione a ridosso della giunzione, ormai svuotata di portatori liberi, si chiama appunto regione di svuotamento o regione di carica spaziale. All'equilibrio, la sua estensione nelle due regioni di semiconduttore drogate in modo diverso dipende dai relativi livelli di drogaggio ND e NA.
Infatti, affinche' sia assicurata la neutralita' elettrica dell'intera struttura (la carica totale netta contenuta deve essere nulla), la regione di carica spaziale si estendera' di piu' nella regione di semiconduttore caratterizzata da concentrazione inferiore di drogante.
All'interno della regione di carica spaziale esiste ovviamente un campo elettrico E a causa della presenza di cariche fisse. Tale campo elettrico si oppone alla diffusione dei portatori liberi, per cui si raggiunge un equilibrio tra diffusione e deriva dei portatori stessi.
Esiste anche una differenza di potenziale che si localizza ai capi della struttura che si annulla se chiudiamo il circuito elettrico con un conduttore.
Diodo a giunzione p-n
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La giunzione pn e' in pratica un diodo allo stato solido. Si tratta di un elemento a due terminali ed il suo simbolo circuitale riportato nella figura.
ll catodo corrisponde alla regione di tipo n, l'anodo corrisponde alla zona drogata di tipo p.
Quando i diodi a giunzione p-n sono realizzati con cristalli di silicio la loro curva caratteristica tensione corrente e' approssimabile tramite l'equazione del diodo ideale di Shockley e sono progettati e costruiti per presentare una perdita di potenziale pari a circa 0,7 V a temperatura ambiente quando polarizzati in diretta, per cui viene detto che la loro tensione di lavoro e pari a 0,7 V.
Grazie alla forma della curva tensione-corrente l-V , a piccole variazioni della tensione ai capi del dispositivo oltre la tensione di soglia corrispondono grandi variazioni della corrente elettrica di lavoro.
Questo significa che il diodo permette di mantenere la tensione ai suoi capi approssimativamente costante al variare della corrente che lo attraversa.
E' necessario limitare la corrente che attraversa un diodo e controllare che non superi mai la massima corrente prevista oltre la quale puo' verificarsi la rottura del dispositivo.
I diodi a giunzione p-n reali hanno una caratteristica tensione corrente analoga a quella ideale con alcune differenze quando polarizzati inversamente cioe' invece di impedire completamente il passaggio di corrente presentano una piccolissima corrente di perdita, in genere dell'ordine del miliardesimo di Ampere, che rimane costante con l'aumentare della tensione inversa fino ad un certo valore (detto tensione di Zener V zk, che puo' andare da alcuni volt ad alcune decine di volt), oltre il quale tale corrente aumenta molto rapidamente.
Tale regime di funzionamento, detto regime di valanga o di breakdown per il modo di generazione degli elettroni di conduzione all‘intemo del diodo, non e' dannoso per il componente finche' la potenza dissipata rimane nei limiti tollerati, i diodi Zener per esempio sono progettati espressamente per funzionare in regime di valanga.
Tuttavia, vista la caratteristica molto ripida, il funzionamento in valanga nei normali diodi e molto pericoloso e porta in genere alla rottura del componente. La tensione di lavoro dei diodi non e' sempre pari a circa 0,7 V a temperatura ambiente, come nella maggior parte dei diodi a giunzione p-n, ma puo' variare dai 0,2 V del diodo Schottky o dei vecchi diodi al germanio, agli 0,5 V dei diodi ad arseniuro di gallio ai 4 V dei diodi LED
Giunzione p-n in polarizzazione inversa
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Quando la tensione ai capi della giunzione pn e' negativa, secondo la convenzione definita in figura si dice che la giunzione e polarizzata inversamente. In pratica, quindi, si ha polarizzazione inversa se VD<0. A causa della polarizzazione imposta alla struttura, gli elettroni vicini al bordo della regione di carica spaziale nella regione di tipo n tendono a spostarsi verso l'esterno della struttura, lasciando quindi scoperti ulteriori ioni donatori fissi.
Anche le lacune vicine al bordo della regione di svuotamento nella zona drogata di tipo p tendono ad allontanarsi dalla giunzione, per cui altri ioni fissi accettori restano scoperti.
L'effetto risultante e' un allargamento della regione di carica spaziale, come viene illustrato nella figura. La corrente nella struttura e' molto debole, in quanto le cariche libere disponibili per la conduzione sono solo i portatori minoritari nelle rispettive regioni, in concentrazione estremamente limitata, tali portatori generano quindi una piccolissima corrente inversa ls , che scorre dal catodo verso l'anodo e risulta quasi indipendente dalla tensione inversa applicata. I valori tipici di ls dipendono molto dall'area e dai livelli di drogaggio del diodo e possono andare da 10 -10 a 10 -16 .
Poiche la concentrazione di portatori minoritari aumenta con la temperatura, la corrente ls detta anche corrente di saturazione inversa del diodo aumenta con la temperatura
Fenomeno del breakdown
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Se si aumenta la tensione inversa applicata al diodo, in corrispondenza di un certo valore si verifica il fenomeno del breakdown del diodo, che consiste in un aumento notevolissimo della corrente inversa che scorre nel diodo rispetto al valore ls della corrente di saturazione inversa, come illustrato in figura.
Tale valore di tensione V viene detto appunto tensione di breakdown del diodo.
La figura in realta' non rispetta fedelmente gli ordini di grandezza delle correnti in gioco in una scala realistica la corrente di saturazione inversa Is non e' visibile in quanto praticamente sovrapposta all'asse delle tensioni.
Si noti che, nella regione di breakdown, il diodo si comporta in pratica come un generatore di tensione, in quanto tende a mantenere una tensione inversa costante Vz ai suoi capi per qualunque valore di corrente inversa.
Vi sono due effetti fisici differenti che innescano il fenomeno del breakdown in un diodo.
L'effetto zener e dovuto all'aumento del campo elettrico nella regione di carica spaziale, che si verifica specialmente nel caso di elevati livelli di drogaggio. Quando si giunge alla tensione di breakdown, il campo elettrico diventa cosi intenso da causare la rottura di un gran numero di legami covalenti, con la conseguente generazione di moltissime coppie elettrone-lacuna. Cio porta quindi a un brusco aumento delle corrente inversa. I diodi per i quali il breakdown si verifica a causa dell'effetto zener presentano una tensione di breakdown non superiore a 5-6V. Inoltre, per questi diodi un aumento della temperatura provoca una diminuzione della tensione di breakdown Vz .
L'effetto valanga si verifica invece quando dei portatori liberi nella regione di carica spaziale, che, come detto prima sono in numero molto limitato in condizioni normali, acquisiscono una notevole quantita' di energia cinetica. Se uno di questi portatori interagisce con il reticolo cristallino, l'urto puo' provocare la generazione di una coppia di portatori liberi, che, a loro volta, acquisendo l'energia cinetica necessaria e cedendola al reticolo, possono crearne un'altra, innescando un processo di moltiplicazione a valanga dei portatori liberi. Il risultato e' il breakdown del diodo, cioe l'aumento repentino della corrente inversa. I diodi per i quali il fenomeno del breakdown e' associato all'effetto valanga hanno tensioni di breakdown maggiori di 6-7 V e in questo caso il coefficiente di temperatura di Vz e' positivo, cioe' la tensione di breakdown aumenta con la temperatura.
C'e' da sottolineare che il breakdown di una giunzione pn non e' necessariamente un fenomeno distruttivo. Se si limita in qualche modo l'aumento di corrente inversa e si impedisce quindi che la potenza da dissipare superi il limite tollerabile dal diodo, esso puo' lavorare stabilmente in un punto operativo all'intemo della regione di breakdown.
Effetti capacitivi associati a un diodo polarizzato inversamente
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Ho illustrato che la carica fissa contenuta nella regione di svuotamento di un diodo polarizzato inversamente varia al variare della tensione inversa applicata
V R = -V D
esiste quindi una funzione
Qs (Vr )
che descrive appunto la dipendenza di tale carica Qs dalla tensione applicata al diodo e che e' fortemente non lineare (figura a lato)
Una variazione di tensione inversa nel tempo richiede quindi una variazione della quantita' di carica Qs nel tempo, che causa un transitorio nella corrente inversa, necessario per fornire la differenza di carica richiesta.
In definitiva si ha un effetto capacitivo, che pero' e' di tipo non lineare, in quanto la caratteristica carica-tensione
Qs (Vk )
non e' una retta passante per l'origine.
Se pero' il diodo viene fatto lavorare in un certo punto di lavoro Q , sempre in polarizzazione inversa, e si considerano spostamenti abbastanza piccoli intorno al punto di lavoro, la caratteristica Qs (VD ) puo' essere linearizzata intorno a tale punto, cioe la caratteristica non lineare puo' essere confusa con la sua tangente nel punto di lavoro.
Di conseguenza si puo' definire una capacita' di piccolo segnale del diodo polarizzato in inversa, come derivata della funzione Qs(VR) rispetto a VR , calcolata nel punto di lavoro Q .
Tale capacita' prende il nome di capacita' di transizione:
La giunzione pn in polarizzazione diretta
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Quando la tensione ai capi della giunzione pn e positiva, secondo le convenzioni di segno che abbiamo scelto, si dice che il diodo e polarizzato direttamente . Quindi un diodo e' polarizzato direttamente se VD >0 , come in figura
In questo caso, rispetto alla condizione di equilibrio, corrispondente a VD=0, l'estensione della regione di carica spaziale diminuisce, in quanto la polarizzazione applicata tende a favorire il passaggio dei portatori liberi dalla regione in cui sono maggioritari, verso quella in cui sono minoritari.
Di conseguenza gli ioni vicini al bordo della regione di carica spaziale possono riacquistare la carica che avevano perduto e diventano atomi neutri, per cui la regione di carica spaziale si restringe.
Cio' implica che la differenza di potenziale ai capi della regione di svuotamento, che all'equilibrio ( VD=0 ) impediva la migrazione libera dei portatori maggioritari, si riduce notevolmente e quindi non e' piu' in grado di controbilanciare la tendenza alla diffusione dei portatori maggioritari stessi.
Il risultato e che si produce un flusso di elettroni che si spostano per diffusione dalla regione di tipo n a quella di tipo p e un flusso di lacune che si spostano nel verso opposto, dando luogo a due contributi di corrente nello stesso verso, che e' quello definito positivo dalla nostra convenzione.
Effetti capacitivi associati a un diodo polarizzato direttamente
Anche nel caso di giunzione polarizzata direttamente si hanno degli effetti capacitivi, associati questa vota all'accumulo dei portatori liberi iniettati dalla regione in cui sono maggioritari a quella in cui sono minoritari. ln altre parole, in corrispondenza di un certo valore di tensione diretta V , nelle regioni esteme alla regione di svuotamento (dette regioni quasi neutre) si e' in presenza di un eccesso di cariche minoritarie QD (VD ) ,che varia al variare della polarizzazione, anche qui in modo non lineare.
Si puo' quindi definire, anche in questo caso, una capacita' di piccolo segnale associata al diodo polarizzato in diretta come la derivata della carica Q D in funzione di VD , calcolata nel punto di lavoro.
Questa capacita' viene denominata capacita' di diffusione e tipicamente e' di circa un ordine di grandezza maggiore rispetto alla capacita' di transizione.
Effetti della variazione della temperatura sulla caratteristica del diodo in diretta
Considerando l'equazione
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che esprime la caratteristica di un diodo in diretta, si possono riconoscere due effetti contrapposti della variazione della temperatura. Come sappiamo, la corrente di saturazione inversa IS aumenta con la temperatura, per cui ID tende ad aumentare con essa.
Anche la tensione termica Vt aumenta con la temperatura, provocando una tendenza alla diminuzione di ID con T .
L'effetto netto risultante di un aumento della temperatura e' un aumento della corrente ID che si puo' quantificare come segue.
Polarizzando il diodo a corrente costante , un incremento di un grado della temperatura assoluta corrisponde a una diminuzione di 2mV della tensione V ai capi del diodo, come illustrato.
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Il Diodo quando viene attraversato da una corrente continua è riconducibile ad una resistenza, in serie, e un generatore di tensione
I valori della resistenza ovviamente sono definiti dal costruttore, come anche la tensione del generatore.
La resistenza del diodo e' chiaramente diversa se la polarizzazione e' diretta o inversa.
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Diodi e Raddrizzatori
Un diodo è un dispositivo elettrico che permette il passaggio della corrente attraverso di esso in una direzione con maggiore facilità rispetto all'altra. Il tipo più comune di diodo nei moderni circuiti è il diodo semiconduttore.
Il termine "diodo" è abitualmente riservato ai dispositivi di piccola potenza, I < 1 A, mentre il termine raddrizzatore è usato per i dispositivi di potenza maggiore, tipicamente I > 1 A.
Quando la polarità della batteria è tale che gli elettroni attraversano facilmente il diodo, il diodo e' detto a polarizzazione diretta. Al contrario, quando la batteria è "rovesciata" e il diodo blocca la corrente, si dice che il diodo è polarizzato inversamente, si può immaginare un diodo come un interruttore: "chiuso" quando e' polarizzato direttamanete e "aperto" quando polarizzato inversamente.
Stranamente, la direzione del simbolo del diodo la "punta di freccia" punta contro la direzione del flusso di elettroni. Questo perché il simbolo del diodo è stato inventato da ingegneri, che utilizzano prevalentemente la notazione convenzionale di flusso.
Il comportamento del diodo è analogo al comportamento di un dispositivo idraulico chiamato valvola di ritegno, la valvola di ritegno e' gestita dalla pressione del fluido, il diodo e' essenzialmente gestito dalla tensione.
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Se nessuna tensione attraversa il diodo semiconduttore esiste una regione di svuotamento sottile intorno alla regione della giunzione PN impedendo il flusso di corrente.
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Se una tensione a polarizzazione inversa è applicata attraverso la giunzione PN, questa regione di svuotamento si espande resistendo ulteriormente a qualsiasi corrente attraverso di essa.
Se una tensione di polarizzazione diretta è applicata attraverso la giunzione PN, la regione di svuotamento collassa diventando ancora più sottile, il diodo diventa meno resistente alle correnti che lo attraversano.
Per sostenere la corrente che passa attraverso il diodo, la regione di svuotamento deve essere completamente collassata dalla tensione applicata. Questo richiede una certa tensione minima per realizzarlo, chiamata la tensione di soglia.
Per i diodi al silicio, la tensione tipica diretta è di 0,7 volt nominali. Per diodi al germanio, la tensione di soglia è solo di 0,3 volt.
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L'equazione del diodo descrive l'esatta corrente che attraversa un diodo, conosciuta la caduta di tensione attraverso la giunzione, la temperatura della giunzione, e diverse costanti fisiche. Non e' necessario avere familiarità con l'equazione del diodo per analizzare i circuiti semplici del diodo, e' sufficente conoscere che la caduta di tensione in un diodo conduttore si modifica con la quantità di corrente che lo percorre, ma che questo cambiamento è abbastanza piccolo in un ampio intervallo di correnti. Questo è il motivo per cui molti libri di testo semplicemente dicono che la caduta di tensione attraverso un diodo semiconduttore rimane costante a 0,7 volt per il silicio.
Una giunzione P-N diretta può essere utilizzata, entro certi limiti, anche come dispositivo di rilevamento della temperatura.
Se la tensione inversa applicata diventa troppo grande, il diodo si pone in una condizione nota come rottura (breakdown). La massima tensione inversa in un diodo è nota come il picco di tensione inversa, o PIV, e può essere ottenuta dal documentazione del diodo.
Come la tensione diretta, la tensione PIV di un diodo varia con la temperatura, normalmente la misura del PIV di un diodo raddrizzatore è di almeno 50 volt a temperatura ambiente.
Dal momento che un diodo è assimilabile ad una valvola unidirezionale per l'energia elettrica, siamo in grado di verificare la sua natura di senso unico utilizzando un ohmmetro alimentato a batteria, collegato il diodo in una direzione, il tester dovrebbe indicare una resistenza molto bassa, mentre collegato nell'altro senso, deve mostrare una resistenza molto elevata.
Alcuni produttori di multimetri digitale dotano i loro tester di una funzione speciale "controllo diodo" che visualizza la reale caduta di tensione diretta del diodo in volt, piuttosto che misurare la "resistenza" in ohm.
La lettura della tensione diretta ottenuta con questo tester sarà generalmente minore rispetto alla normale caduta di 0,7 volt per il silicio e di 0,3 volt per il germanio, perché la corrente fornita dal tester è molto bassa.
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Circuiti di raddrizzamento
Il raddrizzamento è la conversione della corrente alternata (AC) in corrente continua (DC), e necessita di un dispositivo che permette il flusso di elettroni in una sola direzione - un diodo.
Il tipo più semplice di circuito raddrizzatore è quello a semionda, che consente solo la metà di un'onda AC di passare attraverso il carico, il raddrizzatore a semionda, è anche un modo molto semplice per ridurre la potenza ad un carico resistivo.
Nella figura con l'interuttore in posizione "Bassa", la lampada ad incandescenza riceve circa la metà della potenza che sarebbe normalmente ricevuta lavorando su una AC ad onda intera, dato che la corrente raddrizzata che pulsa a mezz'onda e' di gran lunga più veloce del tempo che impiega il filamento per riscaldarsi e raffreddarsi e la spia non lampeggia, ma il suo filamento lavora ad una temperatura inferiore rispetto al normale e fornisce meno luce in uscita.
Questo principio di far pulsare rapidamente la potenza ad un carico di a lenta risposta per controllare la potenza elettrica inviata è comune nel mondo della elettronica industriale.
Se abbiamo bisogno di raddrizzare l'alimentazione AC per ottenere il pieno utilizzo di entrambi i cicli della metà dell'onda sinusoidale, si deve utilizzare una diversa configurazione del circuito raddrizzatore, circuito chiamato raddrizzatore onda intera.
Un tipo di raddrizzatore a onda intera utilizza un trasformatore con il secondario con collegamento cetrale e due diodi.
Nella prima metà ciclo, quando la polarità è fonte di tensione positiva (+) in alto e negativo (-) in basso. Solo la metà superiore dell'avvolgimento secondario del trasformatore porta corrente durante questa meta' del ciclo.
Doppia polarità ad onda intera con raddrizzatore collegato al centro:
Raddrizzatore ad onda intera, piu' comune:
Circuito raddrizzatore a ponte poli-fase ad onda intera: fornisce una corrente continua molto piu' morbida (meno ripple della tensione) rispetto alla tensione AC monofase raddrizzata.
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Il simbolo circuitale del diodo esprime chiaramente le sue funzioni: il triangolo indica la direziene che permette il flusse di corrente elettrica considerate cenvenzionalmente positive (dal polo negativo a quello positivo), mentre la sbarra ne indica il blocce.
Il materiale piu' comuni di base dei diodi sono il silicie, il germanio e l'arseniuro di gallio. Questi atomi hanno 4 elettroni nell'orbita piu esterna e cristallizzando si dispengeno in una struttura tetraedrica. Questa struttura e' tale che egni atomo componente il cristalle "vede" altri quattro atomi e ciascuno di questi condividendo un elettrone si compertano come se avessero nell'ultima orbita un ottetto di elettroni. Il cristalle si dice allora intrinsece ed e' un materiale isolante, cioe' anche per tensioni elevate applicate al cristallo non si ha passaggie di corrente apprezzabile.
Per esempie se si dispone di un cristalle lungo 4 mm con base quadrata di 0.1 mm2 per avere una corrente di 1l/A e' necessarie applicare una tensiene di un migliaio di volt e questa corrente e' dovuta alla rottura dei legami covalenti per agitazione termica.
L'energia necessaria per rompere un legame covalente, ciee' per avere un elettrone libero, e' di 1,1 eV per il silicio. Inserendo nel cristallo piccole quantita di atomi aventi 5 elettroni nell'ultima orbita (una parte per milione), e' disponibile un elettrone in piu' per chiudere l'ottetto e questo con l'energia termica sara' quasi libero di muoversi nel cristalle. Una piccola tensiene (decine di mV ) e un'energia di 0.05 eV sono sufficienti per avere un passaggio di corrente elettrica. Il materiale e' diventato un semiconduttore.
Analogamente se il cristallo e' drogato con atomi aventi 3 elettroni nell'ultima orbita si avra una mancanza di un elettrone per completare l'ottetto cioe' si avra una lacuna o buco di carica che si sposta nel cristallo. Un cristallo di silicio e germanio drogato con atomi pentavalenti e' chiamato semiconduttore di tipo N, mentre se drogato con atomi trivalenti e' di tipo P. Un diodo e' "idealmente"costituito da un cristallo di tipo P ed uno di tipo N uniti assieme a formare una giunzione.
Da ricordare che il processo costruttivo di una giunzione non e quello di unire due cristalli gia drogati. I due cristalli N e P sono elettricamente neutri, ma formando la giunzione gli elettroni in eccesso dovuto agli atomi pentavalenti diffondono nel cristallo P e le lacune o buchi diffondono da P ad N.
Questo processo rapidissimo si forma quando si crea fra due cristalli un campo elettrico da opporsi ad un ulteriore diffusione. Si e' stabilita cioe' una differenza di potenziale fra i due cristalli. Questa tensione pero' non deve trarre in inganno: la giunzione non e' diventata un generatore, andrebbe contro alle leggi della teimodinamica. Infatti se fosse possibile utilizzare un diodo come generatore, sarebbe necessario collegare fili elettrici ai cristalli N e P, costruendo quindi altre due giunzioni: metallo - cristallo P e metallo - cristallo N che generano altre differenze di potenziale che annullano gli effetti della giunzione N - P. I
nvece non va contro i principi termodinamici se i due cristalli, tipo Il e P si trovano a temperature diverse. In questo caso il diodo funziona da generatore (effetto Seebek) e il fenomeno e' reversibile: facendo passare corrente nella giunzione una parte si riscalda e l'altra di raffredda (fetto Peltier).
Da questa struttura iniziale si sono evoluti nel tempo sia componenti con struttura piu complessa basati su un principio differente, come i diodi a tempo di transito, sia nuovi dispositivi a tre terminali, come gli SCR e i Triac, che hanno abbandonato il nome di "diodo".
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Caratteristica tensione corrente del diodo reale
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I diodi a giunzione P-N sono dei diodi realizzati mediante processi metallurgici che prevedono la diffusione di impurita' di tipo accettore in cristalli di silicio preventivamente drogati mediante atomi donatori (o viceversa) e la loro caratteristica tensione corrente è approssimabile tramite l'equazione del diodo ideale di Shockley.
La caratteristica tensione corrente del dispositivo e' una funzione non lineare; per valori di polarizzazione sufficientemente grandi rispetto alla tensione termica (a temperatura ambiente 26mV) vale la relazione:
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Ie' l'intensita' di corrente
I0 indica la corrente di saturazione inversa
VD e' la tensione applicata ai capi del diodo
VT la tensione termica
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Il diodo, polarizzato direttamente, inizia a condurre una volta che la tensione applicata supera la tensione di soglia V S ; questa varia in funzione del tipo di materiale con cui e' realizzato il diodo e vale circa 0,6V nei diodi al silicio; quando tale diodo e' in conduzione nei calcoli conviene utilizzare il valore approssimato di 0,7V.
E' sempre necessario limitare la corrente condotta da un diodo affinche' non superi mai la massima corrente prevista per quello specifico diodo, oltre la quale può verificarsi la rottura fisica del dispositivo.
I diodi a giunzione P-N reali hanno una caratteristica tensione corrente analoga a quella ideale, con alcune differenze: quando polarizzati inversamente, invece di impedire completamente il passaggio di corrente vengono attraversati dalla Io , la corrente di saturazione inversa, il cui valore e' legato all'area del dispositivo ed alla concentrazioni del drogante. Con l'aumentare del modulo della tensione inversa fino ad un certo valore (detto tensione di Zener Vzk , come si può notare nel 3° e 4° quadrante della caratteristica del diodo reale), che può andare da alcuni Volt ad alcune decine di Volt, la corrente aumenta in modulo molto rapidamente: tale regime di funzionamento, detto tensione di rottura o di breakdown per il modo di generazione degli elettroni di conduzione all'interno del diodo, non e' dannoso per il componente finche' la potenza dissipata rimane nei limiti tollerati.
i diodi Zener per esempio sono progettati espressamente per funzionare in tensione di rottura o tensione di zener. Tuttavia, vista la caratteristica molto ripida, il funzionamento in breakdown nei normali diodi e' molto pericoloso e porta in genere alla rottura del componente.
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Diodo al germanio
Il germanio e' un metalloide di aspetto metallico lucido con la stessa struttura cristallina del diamante.
Allo stato puro, il germanio e' cristallino, fragile e mantiene il suo aspetto lustro anche se esposto all'aria a temperatura ambiente. Tecniche di fusione e raffinamento a zona hanno permesso la creazione di germanio cristallino per semiconduttori con solo una parte di impurità su 10 milioni.
Storia
Nel 1871 il germanio (dal latino Germania) fu uno degli elementi di cui Dmitri Mendeleev predisse l'esistenza; poiche' nella sua tavola periodica la casella dell'analogo del silicio era vuota, egli predisse che si sarebbe trovato un nuovo elemento che in via provvisoria battezzò ekasilicio.
L'elemento in questione fu più tardi scoperto da Clemens Winkler nel 1886, importantissima scoperta a conferma dell'idea di Mendeleev della periodicita' degli elementi.
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Proprieta'
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Ekasilicio
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Germanio
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Massa atomica
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72
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72.59
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Densita' (g/cm3)
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5.5
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5.35
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Punto di fusione (°C)
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alto
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947
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Colore
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grigio
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grigio
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Lo sviluppo del transistor al germanio apri' la porta ad infinite applicazioni dell'elettronica allo stato solido: dal 1950 fino al 1970 circa il mercato del germanio per semiconduttori crebbe costantemente. Durante gli anni '70 venne gradualmente sostituito dal silicio che ha prestazioni come semiconduttore nettamente superiori anche se richiede cristalli molto piu' puri ed una tecnologia di accrescimento di cristalli sintetici non disponibile nei primi anni del dopoguerra.
Nel frattempo aumento' moltissimo la domanda di germanio per fibre ottiche per reti di comunicazioni, per sistemi di visione notturna agli infrarossi e catalizzatori per reazioni di polimerizzazione; questi tre usi hanno rappresentato l'85% del consumo mondiale di germanio nel 2000.
Applicazioni
Diversamente dalla maggior parte dei metalloidi, il germanio ha un piccolo intervallo di banda proibita, cosa che permette di rispondere in modo efficiente anche alla luce infrarossa. Viene quindi usato nella spettroscopia infrarossa e in altri equipaggiamenti ottici che necessitano di rivelatori di infrarossi estremamente sensibili. L'indice di rifrazione e le proprieta' di dispersione del suo ossido sono importanti nelle lenti degli obiettivi grandangolari delle macchine fotografiche e dei microscopi.
I transistor al germanio sono ancora utilizzati negli amplificatori per chitarra elettrica dai musicisti che vogliono ricreare il carattere autentico degli amplificatori dei primi tempi del rock and roll.
La lega germaniuro di silicio (SiGe) sta diventando rapidamente un importante materiale semiconduttore per l'uso in circuiti integrati ad alta velocita': i circuiti integrati basati su giunzioni Si-SiGe possono essere molto piu' veloci di quelli che usano solo silicio. Un'applicazione attuale del germanio e' nell'ambito delle memorie a cambiamento di fase, come elemento principe di una lega calcogenura denominata GST.
Alcuni composti del germanio hanno una bassa tossicita' per i mammiferi ma molto alta per certi batteri: sono percio' stati creati medicinali basati su tali composti.
Disponibilita'
Il germanio si trova nell'argirodite (solfuro di germanio e argento); ma anche nel carbone, nella germanite, in minerali di zinco e in altri minerali.
Il germanio si ricava commercialmente dalla polvere di lavorazione dei minerali di zinco e dai sottoprodotti di combustione di certi tipi di carbone. Una grande riserva di germanio e' costituita, in effetti, dalle miniere di carbone.
Questo metalloide si puo' estrarre anche da altri minerali per distillazione frazionata del suo tetracloruro volatile. Questa tecnica permette la produzione di germanio ultrapuro. Nel 1997 il costo commerciale del germanio e' stato di 3 dollari americani al grammo. Nel 2000 il prezzo del germanio era 1,15 dollari al grammo (o di 1.150 dollari per chilogrammo)
Il diodo
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Il diodo al germanio e' costituito da una giunzione a semiconduttore realizzata con germanio; ha una tensione di soglia bassa (tipicamente di 0,2 V) che lo rende particolarmente adatto per la rivelazione dei segnali radio (demodulatore o rivelatore per la modulazione d'ampiezza).
Dal cristallo di Galena od altri similari si passo' al diodo al Germanio che consenti' una piu' facile ed immediata ricezione della stazione piu' vicina.
Nella foto di lato (dalla mia collezione vintage) faccio vedere dei comunissimi diodi al Germanio che ancora oggi si possono trovare in alcuni negozi di componenti elettronici
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L'uso del diodo al Germanio miglioro' notevolmente i circuiti accordati con un condensatore variabile ad un solo stadio interfacciato ad una induttanza o bobina. Avemmo allora cosi' la possibilita' di usare circuiti risonanti che rendevano piu' selettiva la ricezione. Piu' e' alta la capacita' e meno si ricevevano le stazioni locali. Per far risuonare il circuito sulle onde medie in un ricevitore cosi' semplice ma sempre in via di miglioramento, era necessario che la capacita' del condensatore variabile andasse da un minimo di 350 pf. ad un massimo di 500 pf. Lo schema elettrico di un ricevitore a diodo molto usato (da me) negli anni 1954-1956 che si dimostro' molto piu' valido della prima radio con rivelatore a galena
I diodi al germanio sono dispositivi in uso fin dalla loro invenzione nei circuiti di sintonia delle radio (ora vintage) sopratutto nella modulazione di ampiezza in onde medie. Personalmente usavo un ricevitore con diodo al germanio per ricevere nel 1955-1956 i segnali delle radio dell'europa dell'est e di radio Vaticano che trasmettevano con potenze molto elevate nelle onde medie e corte. Io ero residente al tempo in una localita' sulle montagne dell'Appennio Toscano, il problema vero non era la sensibilita' ma la selettivita', e se la propagazione lo permetteva il segnale ricevuto era di notevole purezza.
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I diodi al germanio possono essere utilizzati con tensioni del segnale di ampiezza molto piccola in applicazioni quali i rilevatori o demodulatori di segnale radio. Poiche' le tensioni coinvolti in demodulare segnali radio AM sono suscettibili di essere meno di 1Vpp, un diodo al silicio non puo' essere utilizzati in modo efficiente per rettificare tale piccola forma d'onda dato che non iniziera' a condurre fino a quando non sia raggiunta una di tensione positiva sull'anodo di 0,6 V. Per fortuna il diodo al germanio condurra' con una tensione di soli 0,15 V, e' possibile utilizzare un diodo al germanio come un raddrizzatore di recuperare l'audio segnale proveniente dal segnale radio modulato in ampiezza. Il punto di contatto del diodo illustrato in figura ha un altro vantaggio utile rispetto al raddrizzatore al silicio, l'area di giunzione e' molto piccola, e questo significa anche che la capacita' di giunzione e' molto piccola, molto piu' piccola di quella di un diodo a giunzione di silicio.
In conclusione un demodulatore semplice che usi un diodo al germanio fornisce un output per i piu' piccoli segnali di quanto sia possibile utilizzando un diodo al silicio
La giunzione di un diodo, sostanzialmente uno strato isolante o strato di svuotamento, interposto tra due conduttori di tipo P e di tipo N, e' in realta' un condensatore. L'effetto di questo condensatore, se e' troppo grande, sara' quello di ridurre l'efficacia del circuito di rettifica, alle alte frequenze l'intera forma d'onda passera' attraverso il diodo invece di un mezzo ciclo con la rimozione dell'azione di rettifica del diodo pertanto alle alte frequenze non avra' luogo alcuna demodulazione, il diodo al germanio, con la sua capacita' di giunzione molto piccola puo' essere ideale per lo scopo.
Per il diodo al germanio non passano grandi correnti, solo pochi milli-ampere ma e' tutto quello di cui abbiamo bisogno in un'applicazione come quella di un demodulatore radio.
Alcune caratteristiche a confronto tra diodi al silicio e germanio
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Parametri
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Germanio
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Silicio
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Commenti
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Differenza di potenziale della regione di svuotamento
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0.15V
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0.6V
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Il germanio puo' essere utile per applicazioni a bassa tensione
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Corrente inversa
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Pochi milli-ampere
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Anche decine di ampere
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Il silicio e molto piu' adatto per applicazioni con alta corrente
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Corrente inversa di rottura
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Pochi micro-ampere
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Pochi nano-ampere
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Il germanio e' 1000 volte piu' permeabile rispetto al silicio
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Massima tensione inversa
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Volt
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Centinaia di volt
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Il silicio e' l'unica vera scelta per le applicazioni ad alta tensione
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Stabilita' alla temperatura
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Povera
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Ottima
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Il germanio e' piu' sensibile alla temperatura. Puo' essere sia un problema ma anche utile
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Capacita' della giunzione
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Molto bassa (contatto puntiforme)
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Comparativamente alta
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Questa e' una caratteristica utile per l'utilizzo ad alta frequenza. Nota; sono disponibili diodi al silicio a bassa capacita', ma la loro capacita' e' ancora superiore al contatto puntiforme.
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Un esempio pratico
Ho utilizzato un diodo al germanio OA79, ben noto agli appassionati degli anni '60, per ricavare alcune caratteristiche di funzionamednto eil grafico xdella curva tensione corrente (V/I).
| Tensione (Volt) |
Corrente (mA) |
| 0.16 |
0.1 |
| 0.21 |
0.2 |
| 0.25 |
0.3 |
| 0.27 |
0.4 |
| 0.30 |
0.5 |
| 0.31 |
0.6 |
| 0.33 |
0.7 |
| 0.34 |
0.8 |
| 0.36 |
0.9 |
| 0.37 |
1.0 |
| 0.39 |
1.1 |
| 0.40 |
1.2 |
| 0.42 |
1.3 |
| 0.43 |
1.4 |
| 0.45 |
1.5 |
| 0.46 |
1.6 |
| 0.47 |
1.7 |
| 0.49 |
1.8 |
| 0.50 |
1.9 |
| 0.51 |
2.0 |
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Diodo Schottky
Il diodo Schottky è costituito da una giunzione metallo-semiconduttore invece che da una giunzione a semiconduttore ed ha una zona di svuotamento nulla. Le sue principali caratteristiche sono:
Tensione di soglia a 0,35 V invece di 0,6 V
Tempi di commutazione brevissimi
L'effetto Schottky
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Il diodo Schottky (dal nome del fisico tedesco Walter Schottky H., noto anche come diodo a vettore caldo) e' un diodo semiconduttore con una bassa caduta di tensione diretta ed una azione di commutazione molto rapida. I rivelatori a baffo di gatto utilizzati nei primi giorni della trasmissione radio possono essere considerati come primitivo diodi Schottky. Sono chiamati a vettore caldo poiche' l'energia degli elettroni di trasferimento dal semiconduttore al lato di metallo hanno piu' energia di quanto sia l'energia di Fermi degli elettroni nella parte in metallo
Un diodo Schottky e' un particolare tipo di diodo, con un caduta molto bassa della tensione diretta. Quando la corrente scorre attraverso un diodo vi e' una piccola caduta di tensione attraverso i terminali del diodo. Un diodo al silicio normale ha una caduta di tensione tra 0,6-1,7 volt, mentre una caduta di tensione in un diodo Schottky e' tra circa 0,15-0,45 volt. Questa minore caduta di tensione e' in grado di fornire velocita' di commutazione superiore e migliorare l'efficienza complessiva del sistema.
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I raddrizzatori Schottky sono stati usati per oltre 25 anni nell'industria della fornitura di energia, con vantaggi della bassa caduta di tensioe diretta e della velocita' di commutazione che si avvicina a zero, cio' li rende ideali per stadi di uscita degli alimentatori switching.
Questa ultima caratteristica ha anche stimolato il loro uso nelle applicazioni ad alta fraquenza compreso quelle a bassissima potenza dei segnali che necessitano di commutazione di diodi a meno di 100 picosecondi. Questi richiedono dispositivi Schottky di piccole dimensioni con bassa capacita'.
Il piccolo tempo di recupero inverso che possono esibire e' principalmente dovuto alla loro bassa capacita' piuttosto che alle minori ricombinazioni dei portatori come raddrizzatori a giunzione pn non conventionali.
Questa caratteristica fornisce un sovrapicco molto piccolo di corrente inversa quando il diodo Schottky passa dalla modalita' di conduzione diretta allo stato di blocco inverso.
La combinazione delle delicate proprieta' molto veloci di switching di uno Schottky possono anche eliminare la necessità di circuiti snubber in molte applicazioni che potrebbero altrimenti essere richiesti con raddrizzatori veloci o ultraveloci che presentino caratteristiche di brusco recupero.
Le caratteristiche di sicurezza dei raddrizzatori schottky sono una scelta molto attraente in considerazione delle basse perdite parassite. Le considerazioni di progetto con dispositivi Schottky sono limitate in alcune applicazioni rispetto ai raddrizzatori con giunzione pn perche' le loro correnti di dispersione inversa sono molte volte superiori.
I raddrizzatori Schottky hanno normalmente la massima temperatura di giunzione nominale nel range da 125° C a 175° C, rispetto ai tipici 200° C per gli swhich convenzionali a giunzione pn per ulteriore influenza del comportamento della corrente di dispersione. Per alcune applicazioni i dispositivi Schottky sono limitati dalle tensioni di blocco disponibili rispetto ai tradizionali raddrizzatori giunzione pn, tuttavia con una accorta selezione, molte applicazioni sono ottimizzabili con raddrizzatori Schottky per le loro uniche caratteristiche operative.
I raddrizzatori Schottky raramente superano i 100 volt nei picchi di tensione inversa, in quanto i dispositivi moderatamente sopra questo livello di rating risulteranno con tensioni dirette pari o maggiori dei raddrizzatori equivalenti con giunzione pn.
Le proprieta' dei raddrizzatori Schottky di cui sopra sono in primo luogo determinate dalla altezza della barriera energetica metallica del materiale depositato sul silicio dai produttori. Un metallo con bassa altezza della barriera energetica ridurce al minimo la tensione diretta, ma e' anche limitato nella sua capacita' operativa alla massima temperatura e presenta elevate correnti di dispersione inversa. Un'alta barriera metallica riduce al minimo la temperatura e la sensibilita' corrente di dispersione, ma aumentera' la tensione diretta.
A seconda delle esigenze delle applicazioni, queste caratteristiche di progetto possono essere utilizzate come un compromesso nella scelta corretta quando si seleziona un raddrizzatore Schottky che usano differenti barriere metalliche da parte di un produttore.
Questo serve anche come soppressore di tensione transitoria per l'assorbimento di energia inversa e di protezione contro le sovratensioni in molto vicine alla giunzione Schottky. Questa regione perimetrale e' realmmente guidata nella rottura a valanga prima che il diodo Schottky sia danneggiato da quantita' eccessive di flusso di currente inversa e di energia in occasione di eventi transitori.
La relazione protettiva tensione-corrente del dispositivo e' illustrata assieme ai parametri tipici elettrici previsti per i raddrizzatori Schottky.
In alcuni casi i raddrizzatori Schottky sono anche specificato con una prova di energia di valanga inversa. Ciò contribuira' a garantire un livello di sicurezza di funzionamento in applicazioni di commutazione molto veloci, in tali applicazioni, questi requisiti di speciali energie inverse devono essere richiesti per supplementari analisi dall'utente quando non diversamente specificato.
Costruzione
Un diodo Schottky utilizza una giunzione semiconduttore-metallo come una barriera Schottky, invece di una giunzione semiconduttore-semiconduttore come nei diodi convenzionali. La risultante barriera Schottky possiede sia una commutazione molto veloce ed una bassa caduta di tensione diretta.
Tempo di recupero inverso
La differenza più importante tra i diodi PN e diodi Schottky e' il tempo di recupero inverso, quando il diodo passa da stato di conduzione a stato di non-conduzione e viceversa. In un diodo pn il tempo di recupero inverso puo' essere dell'ordine delle centinaia di nanosecondi e meno di 100 ns per diodi veloci, i diodi Schottky non hanno un tempo di recupero, in quanto non c'e' nulla da recuperare. Il tempo di commutazione e' di circa 100 ps per i diodi per piccoli segnali, e fino a decine di nanosecondi per speciali diodi di potenza ad alta capacita'. Con commutazione della giunzione p-n c'e' anche una corrente inversa di recupero, che in alta potenza semiconduttori comporta un aumento del rumore EMI. Con i diodi Schottky la commutazione e' essenzialmente istantanea con solo un leggero caricocapacitivo e questonon preoccupa in nessun modo.
Limitazioni
Si dice spesso che il diodo Schottky e' un dispositivo semiconduttore "vettore di maggioranza". Questo significa che se il corpo del semiconduttore e' drogato di tipo n, solo i vettori di tipo-n (elettroni mobile) svolgono un ruolo significativo nel funzionamento normale del dispositivo. I "vettori di maggioranza" sono rapidamente iniettati nella banda di conduzione del contatto di metallo sull'altro lato del diodo per diventare elettroni liberi di muoversi. Pertanto e' coinvolta una non lenta ricombinazione casuale di vettori di tipo n e p, in modo che questo diodo puo' cessare di condurre più velocemente di un normale diodo raddrizzatore p-n. Questa pripeta' consente a sua volta una zona periferica più piccola, che determina anche una transizione più veloce. Questa e' un'altra ragione per cui i diodi Schottky sono utili nei convertitori di potenza a commutazione, l'alta velocita' del diodo significa che il circuito puo' operare a frequenze nella gamma da 200 kHz a 2 MHz, permettendo l'uso di piccoli induttori e condensatori con maggiore efficienza rispetto a quanto sarebbe possibile con altri tipi di diodi. I diodi Schottky small-area sono il cuore dei rilevatori RF e dei mixer, che spesso operano fino a 50 GHz.
Limitazioni
I limiti più evidenti di diodi Schottky sono la tensione inversa relativamente bassa, 50 V e minore, per i diodi Schottky silicio-metallo, e una corrente inversa di dispersione relativamente elevat. I progetti dei diodi sono migliorati nel corso di tempo. La tensione di funzionamento ora puo' raggiungere i 200 V. La corrente inversa di sispersione, in quanto aumenta all'aumentare della temperatura, porta ad un problema di instabilita' termica. Questo spesso limita la tensione inversa utile ben al di sotto del rating reale.
Il diodo Schottky al carburo di silicio
Dal 2001 un altro importante invenzione e' stata presentata un diodo Schottky al carburo di silicio (SiC) . Nei diodi Schottky SIC la corrente inversa di fuga e' circa di 40 volte inferiore rispetto ai diodi Schottky al silicio e sono disponibili in varianti tra 300 V e 600 V.
Il carburo di silicio ha una elevata conducibilita' termica e la temperatura ha poca influenza sulle caratteristiche termiche e di commutazione. Con packaging speciali si possono avere temperature di giunzione di esercizio di oltre 500 K, che permette usarli in applicazioni aerospaziali.
Tensione di bloccaggio
Mentre diodi al silicio standard hanno una caduta di tensione di circa 0,6 volt ed i diodi al germanio di 0,3 volt, la caduta di tensione diretta dei diodi Schottky con circa 1 mA e' nel range 0,15-0,46 V che li rende utili nelle applicazioni delle tensioni di bloccaggio e nella prevenzione della saturazione dei transistor. Cio' e' dovuto alla maggiore densita' di corrente nel diodo Schottky.
Protezione contro le scariche
Una tipica applicazione di diodi Schottky di potenza e' la protezione di scarico per celle solari collegate alle batterie piombo-acido.
Alimentatori
Sono utilizzati anche come raddrizzatori negli alimentatori a commutazione, la bassa tensione direttaed il veloce tempo di recupero portano ad una maggiore efficienza.
I diodi Schottky possono essere utilizzato nei circuiti di alimentazione "OR"ing in prodotti che hanno sia una batteria interna e un ingresso con adattatore di rete, o simili. Tuttavia, le perdite di alta corrente inversa sono un problema in questo caso, come ogni circuito di rilevamento della tensione ad alta impedenza (ad esempio monitorando la tensione della batteria o rilevando se e' presente un adattatore di rete) vedra' la tensione dell'altra fonte di alimentazione attraverso le perdite del diodo.
Progettazione
Molto comuni sono i diodi raddrizzatori Schottky della serie 1N5817 (1 Ampere). Giunzioni Schottky metallo-semiconduttore sono presenti nel successori alla famiglia 7400 TTL dei dispositivi logici, la serie 74S, 74LS e 74ALS, dove sono impiegati come connettori in parallelo con le giunzioni base-collettore dei transistor bipolari per impedire la loro saturazione, in modo da ridurre di molto il loro ritardo di spegnimento.
Alternative
I diodi Schottky di piccolo segnale come 1N5711, 1N6263, 1SS106, 1SS108 o la serie BAT41/43, 45/49 sono ampiamente usati nelle applicazioni ad alta frequenza come rivelatori, miscelatori ed elementi non lineari, ed hanno sostituito i diodi al germanio, rendendoli obsoleti. Essi sono anche adatti per la protezione ESD dei dispositivi sensibili ESD come i dispositivi semiconduttore III-V, diodi laser e, in in misura minore, le linee esposte dei circuiti CMOS.
Quando e' desiderata una dissipazione di potenza inferiore un MOSFET ed un circuito di controllo puo' essere invece usato in una modalita' operativa detta rettifica attiva, vedere anche rettifica sincrona.
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