Rilievo della ceratteristica direttea e indiretta del diodo

Oggetto dell'esercitazione:

RILIEVO DELLA CERATTERISTICA DIRETTEA E INDIRETTA DEL DIODO.

STRUMENTI ADOPERATI

Accessori adoperati:

N°1 Diodo 1N4007

N°1 Scheda A01

N°1 Resistore da 100KΩ

N°1 Resistore da 100Ω

Cavetti di collegamento

Schema elettrico:

Descrizione teorica:

IL DIODO

Il diodo è un componente elettronico passivo realizzato da una giunzione pn. Partendo da un cristallo di materiale semiconduttore tetravalente ( con quattro elettroni nella banda di valenza ), solitamente silicio (Si) o germanio (Ge), avviene il drogaggio del semiconduttore con materiali trivalenti, detti accettori (B, Ga, In, Al) o pentavalenti, detti donatori (P, As, Sb). Si ottiene quindi un cristallo formato da due zone rispettivamente di tipo p, ad eccedenza di lacune ( veri e propri buchi lasciati dagli elettroni ), e di tipo n dove si ha un eccedenza di elettroni. Si crea perciò tra le due zone drogate una "giunzione pn". Il termine giunzione fa riferimento alla regione in cui s'incontrano i due tipi di drogaggio (P e N). Può essere pensata come la regione di confine tra i blocchi di tipo P e di tipo N ed è priva di portatori liberi. Ai due lati della giunzione vi è una differenza di potenziale costante. Requisito essenziale è che lo strato di confine sia sottile. Si possono notare, infatti, due terminali polarizzati inversamente l'uno rispetto all'altro: l'anodo (+) e il catodo (-), rispettivamente corrispondenti alle zone differente mente drogate del componente. La giunzione p-n possiede alcune interessanti proprietà che sono sfruttate nell'elettronica moderna. In particolare, si forma un sottile strato isolante chiamato zona svuotata (depletion layer), laddove un drogaggio di tipo P incontra un drogaggio di tipo N. I semiconduttori drogati (sia di tipo N sia di tipo P) sono conduttori, ma la loro giunzione non lo è. Le giunzioni pn sono comunemente usate come diodi: interruttori elettronici che permettono un flusso di corrente in una direzione ma non in quell'opposta. Questo risultato può essere ottenuto incrementando o riducendo lo strato non conduttivo (la zona svuotata ) grazie agli effetti della polarizzazione inversa e della polarizzazione diretta, dove il termine polarizzazione indica l'applicazione di una tensione elettrica alla giunzione pn. Infatti il flusso dei portatori attraverso la giunzione è determinato dalla tensione applicata ai suoi capi ossia dalla tensione applicata fra i due terminali del diodo.

Polarizzazione diretta

Si ha polarizzazione diretta quando la parte di tipo P è connessa al terminale positivo del generatore di tensione, mentre la parte di tipo N è connessa al terminale negativo. In questa configurazione, le lacune nella regione di tipo P e gli elettroni nella regione di tipo N son spinti verso la giunzione. Questo riduce l'ampiezza della zona svuotata. La carica positiva applicata alla regione di tipo P respinge le lacune, mentre la carica negativa applicata alla regione di tipo N respinge gli elettroni. Poiché elettroni e lacune sono spinti verso la giunzione, la distanza tra di loro decresce. Questo abbassa la barriera di potenziale. Aumentando la tensione di polarizzazione, si arriva al punto che la zona svuotata diventa così sottile che i portatori di carica possono superare la barriera per effetto tunnel, e la resistenza elettrica si riduce a un valore molto basso ( la giunzione pn, per sua natura, produce un muro prima del quale il diodo non conduce, quella che viene comunemente chiamata tensione di soglia: nei diodi al germanio essa è di 0.2V mentre in quelli al silicio è di 0.6V). Gli elettroni che superano la barriera alla giunzione entrano nella regione di tipo P (passando da una lacuna all'altra). Questo rende possibile una corrente elettrica. Un elettrone viaggia dal terminale negativo a quello positivo della batteria, passando dalla regione di tipo N. Si fa strada verso la giunzione p-n. La barriera alla giunzione non può trattenere l'elettrone nella regione di tipo N a causa dell'effetto della polarizzazione diretta (in altre parole, una zona svuotata sottile offre una piccola resistenza elettrica contro il flusso di elettroni). L'elettrone quindi attraverserà la giunzione e proseguirà nella regione di tipo P. Una volta all'interno della regione di tipo P, l'elettrone salterà da una lacuna disponibile all'altra, facendosi strada verso il terminale positivo dell'alimentazione. La funzionalità del diodo viene descritta dalla "curva caratteristica" .

Polarizzazione inversa

La polarizzazione inversa si ottiene collegando la regione di tipo P al terminale negativo dell'alimentazione e la regione di tipo N al terminale positivo. Poiché la regione di tipo P è connessa al terminale negativo dell'alimentazione, le lacune nella regione di tipo P vengono spinte lontano dalla giunzione, facendo crescere l'ampiezza della zona svuotata. Lo stesso succede nella zona di tipo N, dove gli elettroni vengono spinti lontano dalla giunzione a causa dell'azione del terminale positivo dell'alimentazione. Questo aumenta la barriera di potenziale e per questa ragione non passerà corrente attraverso la giunzione (o ne passerà molto poca, detta corrente di saturazione inversa).

Esecuzione della misura e analisi dei dati:

Per eseguire questa esperienza bisogna procurarsi: un diodo 1N4007, un resistore di 100Ω e uno da 100KΩ, un alimentatore stabilizzato [ 0-30V; 0-1.5A ], due multimetri funzionanti rispettivamente da voltmetro e amperometro, un oscilloscopio. Procurato l'occorrente si passa al montaggio del circuito descritto nello schema elettrico.

Da ricordare è che l'amperometro va inserito in serie nel circuito, mentre il voltmetro in parallelo. Dando alimentazione al circuito, ha inizio la vera esperienza: rilevare la caratteristica diretta e inversa del diodo.

La caratteristica ( sia diretta che inversa ) viene presa nel seguente modo: si danno diverse tensioni in entrate facendo roteare la manopola dell'alimentatore. Nei display del voltmetro e dell'amperometro viene visualizzato, infine, la tensione ai capi del diodo e la corrente passante per esso. Utilizzando il software di calcolo Excell, si creano due colonne su cui vengono riportate la tensione e la corrente: con questi dati, infine, si è capaci di creare i grafici della caratteristica del diodo, i quali sono riportati nella pagina seguente.

TABELLA DELLA CARATTERISTICA

DIRETTA                                             INVERSA

Conclusioni:

In conclusione l'esperienza è stata svolta parzialmente con esito positivo poiché le formule sono state pienamente dimostrate sia con metodo matematico, che con metodo grafico e scientifico nel primo caso, mentre nel secondo purtroppo la limitatezza degli strumenti utilizzati non ci ha permesso di apprezzare a pieno il grafico.

Giudizio di Merito.

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