Elettronica - il diodo - Appunti

VD anodocatodo (Si-p)(Si-n) IDFigura 3.5: Diodo a giunzione: simbolo circuitale e convenzioni di segno

3.2 La giunzione pn in polarizzazione inversa

Quando la tensione ai capi della giunzione pn è negativa, secondo la convenzione definita in fig. 3.5, allora si dice che la giunzione è polarizzata inversamente. In pratica, quindi, si ha polarizzazione inversa se V <0, come in fig. 3.6.

D _ +VDE

Figura 3.6: Diodo polarizzato inversamente

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 donori 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 accettori restano scoperti. L'effetto risultante è un allargamento della regione di carica spaziale, come viene illustrato nella fig.

La corrente nella struttura è 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, che scorre dal catodo verso l'anodo (vedi fig. 3.7) e risulta quasi indipendente dalla tensione inversa applicata. I valori tipici di corrente inversa dipendono molto dall'area e dai livelli di drogaggio del diodo e possono andare da 10 a -10^16 [A].

Poiché la concentrazione di portatori minoritari aumenta con la temperatura, la corrente inversa di saturazione, detta anche corrente di saturazione inversa, aumenta con la temperatura anche del diodo.

Il fenomeno del breakdown

Se si aumenta la tensione inversa applicata al diodo, in corrispondenza di un certo valore

Verifica il fenomeno del breakdown del diodo, che consiste in un aumento notevolissimo della corrente inversa che scorre nel diodo rispetto al valore I della corrente di saturazione inversa, come illustrato in fig. 3.8. Tale valore di tensione V viene detto appunto tensione di breakdown del diodo.

La fig. 3.8 in realtà non rispetta fedelmente gli ordini di grandezza delle correnti in gioco: in una scala realistica la corrente di saturazione inversa I non è 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 V ai suoi capi per qualsunque valore di corrente inversa.

Vi sono due effetti fisici differenti che innescano il fenomeno del breakdown in un diodo:

1. L'effetto Zener
2. L'effetto avalanche

L'effetto di breakdown si verifica quando il campo elettrico diventa così intenso da causare la rottura di un gran numero di legami covalenti, generando molte coppie elettrone-lacuna. Questo porta ad un brusco aumento della corrente inversa. Nei diodi con effetto zener, la tensione di breakdown non supera i 5-6V e aumentando la temperatura si riduce la tensione di breakdown V_Z.

L'effetto di breakdown può anche verificarsi quando i portatori liberi nella regione di carica spaziale acquisiscono una notevole quantità di energia cinetica. Se uno di questi portatori interagisce con il reticolo cristallino, l'urto può 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 è il breakdown del diodo, cioè l'aumento repentino della corrente inversa. I diodi per i quali il fenomeno del breakdown è associato all'effetto valanga hanno tensioni di breakdown maggiori di 6-7V e in questo caso il coefficiente di temperatura di V è positivo, cioè la tensione di breakdown aumenta con la temperatura. Z non è un fenomeno. C'è da sottolineare che il breakdown di una giunzione pn necessariamente 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 può lavorare stabilmente in un punto operativo all'interno della regione di.

Abbiamo visto che la carica fissa contenuta nella regione di svuotamento di un diodo polarizzato inversamente varia al variare della tensione inversa applicata V =-V. Esiste quindi una funzione R_DQ(V) che descrive appunto la dipendenza di tale carica Q dalla tensione applicata al diodo e che è fortemente non lineare, come si vede in fig. 3.9.

Una variazione di tensione inversa nel tempo richiede quindi una variazione della quantità di carica Q 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 però è di tipo non lineare, in quanto la caratteristica carica-tensione Q(V) non è una retta passante per l'origine.

Se però 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 Q (V) può essere linearizzata intorno a tale punto, cioè la caratteristica non lineare può essere confusa con la sua tangente nel punto di lavoro. Di conseguenza si può definire un piccolo segnale del diodo polarizzato in inversa, come derivata della funzione Q (V) rispetto a V, calcolata nel punto di lavoro Q, come illustrato dalla fig. 3.10.

Tale capacità prende il nome di capacità di transizione C.

La giunzione pn in polarizzazione diretta quando la tensione ai capi della giunzione pn è positiva, secondo le convenzioni di segno che abbiamo scelto (fig. 3.5), si dice che il diodo è polarizzato direttamente.

direttamente se V >0, come in fig. 3.11. In questo caso, rispetto alla condizione di equilibrio, corrispondente a V =0, la 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. Ciò implica che la differenza di potenziale ai capi della regione di svuotamento, che all'equilibrio (V =0) impediva la migrazione libera dei portatori maggioritari, si riduce notevolmente e quindi non è più in grado di controbilanciare la tendenza alla diffusione dei portatori maggioritari stessi. Il risultato è che si produce un flusso di elettroni che siIl fenomeno è illustrato nella seguente . La corrente in un diodo polarizzato direttamente è, quindi, una corrente di diffusione e cresce molto rapidamente con la polarizzazione diretta applicata. La relazione I (V) è infatti di tipo esponenziale, descritta dalla seguente equazione (3.1): VD = -nVIT / SD in cui abbiamo: - coefficiente di emissione, n, adimensionale, di valore tipico compreso tra 1 e 2; - tensione termica, VT, pari a kT/q, essendo k la costante di Boltzmann, T la temperatura assoluta e q la carica elementare.

carica dell'elettrone;I è sempre la corrente di saturazione inversa.SIl valore della tensione termica a temperatura ambiente è di circa 25mV. In quasi tutti i casi praticiin cui il diodo è acceso, si può trascurare l'unità rispetto al termine esponenziale, il che significa cheI >>I . Quindi:D S VD≅ nVI I e (3.2)TD SLa seguente fig. 3.13 mostra la tipica caratteristica di un diodo, in cui la corrente si può considerare praticamente trascurabile fino a V =V 0.5V (spesso considerato come il valore dellaγDtensione di soglia del diodo). Inoltre la tensione ai capi del diodo non varia molto quando è benacceso, a causa della caratteristica esponenziale (3.2), e il suo valore si aggira sempre intorno a0.6÷0.8V, tipicamente 0.7V.ID γ VDFigura 3.13: Caratteristica esponenziale di un diodo in direttaEffetti capacitivi associati a un diodo polarizzato direttamenteAnche nel caso di giunzione

Quando una giunzione p-n è polarizzata direttamente, si verificano degli effetti capacitivi. Questi effetti sono associati all'accumulo dei portatori liberi che vengono iniettati dalla regione in cui sono maggioritari a quella in cui sono minoritari. In altre parole, quando la tensione diretta V raggiunge un certo valore, si creano delle regioni in cui i portatori liberi si accumulano.