Il diodo semplice è un componente elettronico attivo non-lineare a due terminali (chiamati anodo e catodo), la cui funzione ideale è quella di permettere il flusso di corrente elettrica in un verso e di bloccarla quasi totalmente nell'altro (vengono invece sfruttate altre caratteristiche nel caso di diodi Zener, diodo tunnel o pin, diodi varicap, diodo a tunnelling risonante).
Da questa struttura iniziale si sono evoluti nel tempo sia componenti con struttura più 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.
Storia Le due forme principali, la valvola termoionica e il dispositivo a semiconduttore, conobbero uno sviluppo parallelo.
Nel 1873 il fisico britannico Frederick Guthrie illustrò il principio di funzionamento del diodo termoionico. Nel 1880 Edison incappò autonomamente nell'effetto termoionico (tanto che esso viene chiamato anche effetto Edison) mentre lavorava al perfezionamento della lampada a incandescenza, cercando di capire il motivo della rottura dei filamenti. Scoprì che una corrente invisibile fluiva dal filamento a una placca metallica inserita nel bulbo quando questa era collegata al polo positivo. Lo brevettò qualche anno dopo, senza tuttavia indicarne un uso concreto..
Venti anni dopo il britannico John Ambrose Fleming, che collaborava con la Marconi Company ma era stato impiegato di Edison, si accorse che l'effetto Edison poteva essere utilizzato come rilevatore di precisione di frequenze radio e brevettò il primo diodo termoionico, la "valvola di Fleming", nel novembre 1904. Solo due anni dopo Lee De Forest inventò il triodo.
Circa il diodo a stato solido, già nel 1874 il tedesco Karl Ferdinand Braun, sperimentando contatti tra metalli e cristalli (come la galena e la pirolusite), scoprì la capacità di tali giunzioni di far scorrere la corrente in un solo senso.
Nel 1897 l'indiano Jagadish Chandra Bose fu il primo a presentare un apparato che usava un rilevatore radio a galena.. Diodo ideale In molte applicazioni di interesse, la caratteristica tensione-corrente di un diodo ideale, ottenuta in condizioni statiche, può essere approssimata con una funzione lineare a tratti. In tale approssimazione, la corrente si può considerare nulla se la tensione tra anodo e catodo è minore o uguale a un preciso valore di tensione V (tensione di soglia o di ginocchio); se invece la tensione è maggiore, il diodo può essere approssimato a un generatore di tensione di valore V, la cui corrente è imposta dal circuito a cui esso è sottoposto. Il valore di V è un valore di tensione tale per cui la corrente reale è maggiore di una ben precisa corrente utile per l'analisi del circuito, e, in generale, è abitudine utilizzare il valore convenzionale di 0,6 V in grado di caratterizzare con sufficiente precisione la caduta di tensione ai capi di un diodo al silicio quando in esso scorrono correnti significative.
Quando i valori delle tensioni circuitali sono sufficientemente alte (decine, centinaia di V e più), in modo da considerare trascurabile la caduta di tensione V ai capi del diodo, si adotta comunemente un'approssimazione ancora più forte utilizzando un diodo ideale che in conduzione sia assimilabile a un corto circuito. Questa approssimazione consente di semplificare ulteriormente l'analisi circuitale praticamente senza alcun errore significativo.
Quando la differenza di potenziale ai capi del diodo ideale è maggiore di 0 (cioè quando la corrente elettrica fluisce nel verso convenzionalmente positivo, dall'anodo al catodo), il diodo viene detto in condizione di polarizzazione diretta. Mentre, quando la differenza di potenziale è negativa, questo è detto essere polarizzato inversamente. Queste definizioni sono utilizzate anche per identificare le regioni di funzionamento dei diodi reali.
Diodo in corrente continua Il diodo quando viene attraversato da una corrente continua è riconducibile a una resistenza o a un generatore di tensione a seconda della polarizzazione. I valori della resistenza ovviamente sono definiti dal costruttore, come anche la tensione del generatore.
Diodo in corrente alternata Il diodo attraversato da corrente alternata fa passare solo la semionda positiva (se polarizzato direttamente) della sinusoide e blocca la semionda negativa. Con configurazione di diodi a ponte di Graetz viene generata un'onda raddrizzata formata solo da semionde positive e quindi è chiamato raddrizzatore di onde sinusoidali, formando un'onda pulsante.
Diodo a giunzione
I diodi a giunzione p-n sono dei diodi realizzati mediante processi metallurgici che prevedono la diffusione di impurità 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 è una funzione non lineare; per valori di polarizzazione sufficientemente grandi rispetto alla tensione termica (a temperatura ambiente 26 mV) vale la relazione:
dove I è l'intensità di corrente, I0 indica la corrente di saturazione inversa, VD è la tensione applicata ai capi del diodo e VT la tensione termica.
Il diodo, polarizzato direttamente, incomincia a condurre una volta che la tensione applicata supera la tensione di soglia ; questa varia in funzione del tipo di materiale con cui è realizzato il diodo e vale circa 0,6 V nei diodi al silicio; quando tale diodo è in conduzione nei calcoli conviene utilizzare il valore approssimato di 0,7 V.
È sempre necessario limitare la corrente condotta da un diodo affinché 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 , la corrente di saturazione inversa, il cui valore è legato all'area del dispositivo e alla concentrazioni del drogante. Con l'aumentare del modulo della tensione inversa fino a un certo valore (detto tensione di Zener , come si può notare nel 3° e 4° quadrante della caratteristica del diodo reale a lato), 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 è dannoso per il componente finché 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 rottura nei normali diodi è molto pericoloso e porta in genere alla rottura del componente.
Diodo al germanio Il diodo al germanio è costituito da una giunzione a semiconduttore realizzata con germanio; ha una tensione di soglia più bassa (tipicamente di 0,3 V) che lo rende particolarmente adatto per la rivelazione dei segnali radio (demodulatore o rivelatore per la modulazione d'ampiezza).
Diodo Schottky
Il diodo Schottky è costituito da una barriera rettificante metallo-semiconduttore invece che da una giunzione a semiconduttore. La barriera rettificante metallo-semiconduttore è ottenuta depositando un metallo (solitamente alluminio) su un materiale semiconduttore, che può essere di tipo P o N per mezzo di sistemi di placcatura o evaporazione. In questo tipo di giunzioni gli elettroni, ossia i portatori maggioritari hanno un tempo di vita estremamente basso a causa del metallo presente nella barriera rettificante, questa peculiarità permette un tempo di commutazione(passaggio dalla zona di conduzione alla zona di interdizione) estremamente basso anche inferiore all'ordine dei ns.
La caratteristica corrente tensione è la medesima dei diodi al silicio, ma la tensione di soglia tipica è di 0,35 V invece di 0,6 V. Tra le sue applicazioni più comuni vi è l'utilizzo come rettificatore negli alimentatori switching e nei dispositivi che utilizzano transistor Schottky, come ad esempio alcune serie delle porte logiche TTL.
Diodo varicap o varactor
Durante la polarizzazione inversa, si accumula carica elettrica ai due lati della zona di giunzione, in cui si crea un forte campo elettrico dando origine a una certa capacità parassita: in pratica il diodo si comporta come se fosse in parallelo a un piccolo condensatore. La particolarità che rende interessante questa piccola capacità del diodo è che essa diminuisce con l'aumentare della tensione inversa.
I diodi varicap sono studiati appositamente per sfruttare questo fenomeno e si comportano in tutto come dei condensatori variabili controllati in tensione: la capacità massima è di circa 500 pF nei modelli maggiori, ma può scendere fino a 1 pF. La legge di dipendenza capacità-tensione dei diodi varicap non è lineare, ma si linearizza in combinazione con un induttore in un circuito LC come quello qui a lato, rendendo la frequenza di risonanza del circuito proporzionale alla tensione di controllo Vc.
Le applicazioni dei diodi varicap sono in generale negli stadi di sintonia dei ricevitori radio e negli oscillatori controllati in tensione (VCO).
Diodo Zener
Il diodo Zener è costruito appositamente per sfruttare il funzionamento del diodo in polarizzazione inversa. È infatti un diodo costruito secondo caratteristiche particolari per dissipare potenza con utilizzo in zona di breakdown. In questo stato la tensione ai capi del diodo rimane approssimativamente costante al variare della corrente, perciò il diodo può fornire una tensione di riferimento relativamente costante: lo Zener è un diodo ottimizzato per questo uso, in cui la tensione di Zener è resa il più possibile insensibile alla corrente di valanga, anche se comunque una tensione inversa eccessiva porta il diodo alla rottura. Il motivo dell'elevata pendenza della corrente inversa è dovuta principalmente da due casi: l'effetto valanga e l'effetto Zener.
L'aumento della tensione inversa provoca un'accelerazione degli elettroni che, aumentando la loro energia, ionizzano il reticolo cristallino (valanga); ma possono anche spezzare i legami covalenti in modo da estrarre elettroni (Zener). Questi due effetti si compensano per una tensione circa uguale a 6 V (a seconda del diodo Zener utilizzato si possono avere tensioni diverse). Sopra i 6 V prevale l'effetto valanga, sotto l'effetto Zener.
Tuttavia, per quanto lieve, la dipendenza dalla corrente è sempre presente, e peggio ancora la tensione di Zener varia sensibilmente con la temperatura ambientale: per questo motivo gli Zener vengono utilizzati soprattutto per generare tensioni di polarizzazione e stabilizzazione di alimentatori e non come campioni di tensione. Poiché i diodi Zener vengono utilizzati in polarizzazione inversa, si ha un effetto capacitivo associato alla zona di svuotamento in prossimità della giunzione, questa capacità detta di transizione varia tra valori trascurabili di qualche nF ed è rilevante per i diodi di elevata potenza in quanto condiziona la massima frequenza di lavoro.
LED
ColoreTensione direttaInfrarosso1,3 VRosso1,8 VGiallo1,9 VArancione2,0 VVerde2,0 VAzzurro3,0 VBlu3,5 VUltravioletto4,0-4,5 V