Fin dalla progettazione elettronica alla produzione e riparazione, i diodi sono ampiamente utilizzati per diverse applicazioni. Questi sono di diversi tipi e trasferiscono la corrente elettrica in base alle proprietà e alle specifiche di quel particolare diodo. Si tratta principalmente di diodi a giunzione P-N, diodi fotosensibili, diodi Zener, diodi Schottky, diodi Varactor. I diodi fotosensibili includono LED, fotodiodi e celle fotovoltaiche. Alcuni di questi sono spiegati brevemente in questo articolo.
1. Diodo di giunzione P-N
Una giunzione P-N è un dispositivo semiconduttore, formato da materiale semiconduttore di tipo P e di tipo N. Il tipo P ha un'alta concentrazione di lacune e il tipo N ha un'alta concentrazione di elettroni. La diffusione dei buchi va dal tipo p al tipo n e la diffusione elettronica va dal tipo n al tipo p.
Gli ioni donatori nella regione di tipo n si caricano positivamente quando gli elettroni liberi si spostano dal tipo n al tipo p. Quindi, una carica positiva è costruita sul lato N della giunzione. Gli elettroni liberi attraverso la giunzione sono gli ioni accettori negativi riempiendo i fori, quindi la carica negativa stabilita sul lato p della giunzione è mostrata in figura.
Un campo elettrico formato dagli ioni positivi nella regione di tipo n e dagli ioni negativi nelle regioni di tipo p. Questa regione è chiamata regione di diffusione. Poiché il campo elettrico spazza via rapidamente i vettori liberi, la regione è priva di vettori liberi. Un potenziale integrato Vcon una causa di Ê si forma alla giunzione è mostrato in figura.
Diagramma funzionale del diodo a giunzione P-N:
Diagramma funzionale del diodo a giunzione P-N
Caratteristiche in avanti della giunzione P-N:
Quando il terminale positivo della batteria è collegato al tipo P e il terminale negativo è collegato al tipo N, la figura seguente mostra la polarizzazione diretta della giunzione P-N.
Caratteristiche in avanti della giunzione P-N
Se questa tensione esterna diventa maggiore del valore della barriera potenziale, circa 0,7 volt per il silicio e 0,3 V per Ge, la barriera potenziale viene attraversata e la corrente inizia a fluire a causa del movimento degli elettroni attraverso la giunzione e lo stesso per i buchi.
Caratteristiche di polarizzazione in avanti della giunzione P-N
Caratteristiche inverse della giunzione P-N:
Quando viene fornita una tensione positiva alla parte n e una tensione negativa alla parte p del diodo, si dice che sia in condizione di polarizzazione inversa.
Circuito con caratteristiche inverse della giunzione P-N
Quando una tensione positiva viene data alla parte N del diodo, gli elettroni si muovono verso l'elettrodo positivo e l'applicazione di tensione negativa alla parte p fa muovere i fori verso l'elettrodo negativo. Di conseguenza, gli elettroni attraversano la giunzione per combinarsi con i fori sul lato opposto della giunzione e viceversa. Di conseguenza, si forma uno strato di esaurimento, avente un percorso ad alta impedenza con una barriera ad alto potenziale.
Caratteristiche di polarizzazione inversa della giunzione P-N
Applicazioni del diodo a giunzione P-N:
Il diodo a giunzione P-N è un dispositivo sensibile alla polarità a due terminali, il diodo conduce quando è in polarizzazione di inoltro e il diodo non conduce quando è in polarizzazione inversa. A causa di queste caratteristiche, il diodo a giunzione P-N viene utilizzato in molte applicazioni come
- Raddrizzatori in DC Alimentazione elettrica
- Circuiti di demodulazione
- Reti di ritaglio e bloccaggio
2. Fotodiodo
Il fotodiodo è una sorta di diodo che genera corrente proporzionale all'energia della luce incidente. È un convertitore da luce a tensione / corrente che trova applicazioni in sistemi di sicurezza, nastri trasportatori, sistemi di commutazione automatica, ecc. Il fotodiodo è simile a un LED nella costruzione ma la sua giunzione p-n è altamente sensibile alla luce. La giunzione P-N può essere esposta o confezionata con una finestra per far entrare la luce nella giunzione P-N. Nello stato polarizzato in avanti, la corrente passa dall'anodo al catodo, mentre nello stato polarizzato inverso, la fotocorrente fluisce nella direzione inversa. Nella maggior parte dei casi, la confezione del fotodiodo è simile al LED con anodo e cavi catodici che sporgono dalla custodia.
Fotodiodo
Esistono due tipi di fotodiodi: fotodiodi PN e PIN. La differenza sta nelle loro prestazioni. Il fotodiodo PIN ha uno strato intrinseco, quindi deve essere polarizzato inversamente. Come risultato della polarizzazione inversa, la larghezza della regione di svuotamento aumenta e la capacità della giunzione p-n diminuisce. Ciò consente la generazione di più elettroni e buchi nella regione di esaurimento. Ma uno svantaggio della polarizzazione inversa è che genera corrente di rumore che può ridurre il rapporto S / N. Quindi la polarizzazione inversa è adatta solo nelle applicazioni che richiedono maggiori larghezza di banda . Il fotodiodo PN è ideale per applicazioni con scarsa illuminazione perché il funzionamento è imparziale.
Il fotodiodo funziona in due modalità: modalità fotovoltaica e modalità fotoconduttiva. Nella modalità fotovoltaica (chiamata anche modalità Zero bias), la fotocorrente dal dispositivo è limitata e si accumula una tensione. Il fotodiodo è ora nello stato di polarizzazione diretta e una 'corrente oscura' inizia a fluire attraverso la giunzione p-n. Questo flusso di corrente oscura si verifica in direzione opposta alla direzione della fotocorrente. La corrente oscura si genera in assenza di luce. La corrente oscura è la fotocorrente indotta dalla radiazione di fondo più la corrente di saturazione nel dispositivo.
La modalità fotoconduttiva si verifica quando il fotodiodo è polarizzato inversamente. Di conseguenza, la larghezza dello strato di esaurimento aumenta e porta a una riduzione della capacità della giunzione p-n. Ciò aumenta il tempo di risposta del diodo. La reattività è il rapporto tra la fotocorrente generata e l'energia della luce incidente. Nella modalità fotoconduttiva, il diodo genera solo una piccola corrente chiamata corrente di saturazione o corrente di ritorno lungo la sua direzione. La fotocorrente rimane la stessa in questa condizione. La fotocorrente è sempre proporzionale alla luminescenza. Anche se la modalità fotoconduttiva è più veloce della modalità fotovoltaica, il rumore elettronico è maggiore in modalità fotoconduttiva. I fotodiodi a base di silicio generano meno rumore rispetto ai fotodiodi a base di germanio poiché i fotodiodi di silicio hanno un bandgap maggiore.
3. Diodo Zener
Il diodo Zener è un tipo di diodo che consente il flusso di corrente in avanti simile a un diodo raddrizzatore ma allo stesso tempo può consentire il flusso inverso di corrente anche quando la tensione è superiore al valore di rottura dello Zener. Questo è tipicamente uno o due volt superiore alla tensione nominale dello Zener ed è noto come tensione Zener o punto Avalanche. Lo Zener è stato chiamato così dopo Clarence Zener che ha scoperto le proprietà elettriche del diodo. I diodi Zener trovano applicazione nella regolazione della tensione e per proteggere i dispositivi semiconduttori dalle fluttuazioni di tensione. I diodi Zener sono ampiamente utilizzati come riferimenti di tensione e come regolatori shunt per regolare la tensione attraverso i circuiti.
Il diodo Zener utilizza la sua giunzione p-n nella modalità di polarizzazione inversa per dare l'effetto Zener. Durante l'effetto Zener o la rottura Zener, Zener mantiene la tensione vicino a un valore costante noto come tensione Zener. Il diodo convenzionale ha anche la proprietà della polarizzazione inversa, ma se viene superata la tensione di polarizzazione inversa, il diodo sarà soggetto ad alta corrente e sarà danneggiato. Il diodo Zener, d'altra parte, è appositamente progettato per avere una tensione di rottura ridotta chiamata tensione Zener. Il diodo Zener mostra anche la proprietà di un guasto controllato e consente alla corrente di mantenere la tensione attraverso il diodo Zener vicino alla tensione di rottura. Ad esempio, uno Zener da 10 volt farà cadere 10 volt su un'ampia gamma di correnti inverse.
Quando il diodo Zener è polarizzato inversamente, la sua giunzione p-n subirà un guasto a valanga e lo Zener conduce nella direzione inversa. Sotto l'influenza del campo elettrico applicato, gli elettroni di valance saranno accelerati per battere e rilasciare altri elettroni. Questo finisce nell'effetto Avalanche. Quando ciò si verifica, un piccolo cambiamento nella tensione si tradurrà in un grande flusso di corrente. La degradazione Zener dipende dal campo elettrico applicato e dallo spessore dello strato su cui viene applicata la tensione.
Il diodo Zener richiede un resistore limitatore di corrente in serie ad esso per limitare il flusso di corrente attraverso lo Zener. Tipicamente la corrente Zener è fissata a 5 mA. Ad esempio, se si utilizza uno Zener a 10 V con un'alimentazione a 12 volt, un 400 Ohm (il valore vicino è 470 Ohm) è l'ideale per mantenere la corrente Zener a 5 mA. Se l'alimentazione è di 12 volt, ci sono 10 volt attraverso il diodo Zener e 2 volt attraverso il resistore. Con 2 volt attraverso il resistore da 400 ohm, la corrente attraverso il resistore e Zener sarà di 5 mA. Quindi di regola vengono utilizzati resistori da 220 Ohm a 1K in serie con lo Zener a seconda della tensione di alimentazione. Se la corrente attraverso lo Zener è insufficiente, l'uscita non sarà regolata e sarà inferiore alla tensione di rottura nominale.
La seguente formula è utile per determinare la corrente attraverso lo Zener:
Zener = (VIn - V Out) / R Ohm
Il valore del resistore R deve soddisfare due condizioni.
- Deve essere un valore basso per consentire una corrente sufficiente attraverso lo Zener
- La potenza nominale del resistore deve essere sufficientemente alta per proteggere lo Zener.
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