6 - DIODI PARTICOLARI

In questo capitolo:

• 1 - Diodi "Esaki"
• 2 - Dispositivi a resistenza negativa
• 3 - Diodi "Backward"

Indice – Glossario - Bibliografia - Elenco dei simboli - ï ñð

6.1 - Diodi "Esaki"

I diodi Esaki, dal nome dello studioso che praticamente li ha inventati, sfruttano l'effetto tunnel ed hanno un funzionamento tutto particolare.

Il modello a bande di un semiconduttore consente l'interpretazione immediata del comportamento di questi dispositivi, la cui caratteristica , cioè l'andamento della corrente in funzione della tensione applicata, è la seguente.

Fig. 6.1.1 - La caratteristica corrente-tensione di un diodo Esaki è molto particolare. Prima aumenta fino al valore di picco Vp, per poi diminuire fino al valore di vall Vv e quindi riprendere a salire con andamento di un diodo normale. La giustificazione di tale andamento è fornita dall' effetto tunnel. La zona di svuotamento è molto stretta e le bande particolarmente inclinate, per cui si ha effetto tunnel dalla banda di conduzione a quella di valenza, e viceversa, a seconda della polarizzazione esterna.

Si vede come all'aumentare della tensione di polarizzazione diretta, la corrente cresca per poi diminuire e quindi ricominciare a crescere.

La zona di svuotamento ai lati della giunzione è inversamente proporzionale alla densità di drogaggio.

Nel caso dei diodi tunnel, il drogaggio è talmente elevato che la densità degli atomi droganti supera la densità degli stati elettronici ( si dice che si ha un drogaggio di tipo "degenere" ).  La zona di svuotamento è , perciò, molto sottile e in queste condizioni il gradiente di potenziale generato dagli ioni donori  ed accettori, che creano una barriera di potenziale che impedisce il passaggio di corrente, è talmente forte da inclinare le bande  ai lati della giunzione, come illustrato in figura

Il risultato è che il livello inferiore della banda di conduzione dell zona N, viene a trovarsi ad un livello energetico minore del livello superiore della banda di valenza della zona P. Il drogaggio degenere inoltre, ha provocato lo svuotamento della parte superiore della banda di valenza nella zona P ed il riempimento, sino ad un certo livello, della banda di conduzione nella zona N.

Fig. 6.1.2 - Vengono riportate le diverse situazioni di polarizzazione per un diodo ad effetto tunnel (diodo Esaki).

All'equilibrio ( situazione B) non c'è nessun passaggio di corrente: se invece applichiamo un campo elettrico inverso( situazioneA) si creerà uno squilibrio per cui il livello degli elettroni della banda di valenza sarà maggiore di quello degli elettroni nella banda di conduzione.

In questo caso ci può essere "tunnelling" attraverso la gap proibita, che funge da parete divisoria,    la quale però, in questo caso, è particolarmente sottile.

Questo spiega il motivo per cui il diodo conduca così fortemente per tensioni inverse. Per piccole tensioni dirette (situazione C), la situazione si inverte; il livello degli elettroni nella banda di conduzione, sarà più alto di quello degli elettroni nella banda di valenza, per cui ci sarà "tunnelling" in senso inverso al caso precedente.

La sovrapposizione delle bande, però tende a diminuire con la polarizzazione diretta della giunzione, per cui ad un certo punto (situazione D) la corrente diminuirà fino ad arrivare ad un minimo. Aumentando ulteriormente la polarizzazione diretta, si tornerà al funzionamento classico della giunzione, mentre terminerà l'effetto "tunnell" (situazione E).

6.2 - Dispositivi a resistenza negativa

La caratteristica del diodo Esaki presenta dei tratti a resistenza negativa; si ha una diminuzione di corrente, cioè, in funzione di aumenti di tensione. Questo tipo di comportamento rende particolarmente interessante il funzionamento di questo dispositivo.

Nei tratti a resistenza, e quindi conduttanza, negative, il comportamento del diodo è instabile. Per capirlo esaminiamo cosa accade nella configurazione circuitale riportata in figura 6.2.1, nella quale sono riportati i punti di intersezione della caratteristica con la retta di carico.

Fig. 6.2.1 - La caratteristica dei diodi Esaki presenta un tratto a resistenza negativa, per cui ha un comportamento instabile che ne permette l'utilizzo per la realizzazione di oscillatori.

Ricordiamo che la retta di carico rappresenta tutte le possibili coppie di valori di corrente e tensione che soddisfano la relazione:

Supponiamo che il diodo si trovi a lavorare nel punto P₂, cioè nel tratto a conduttanza negativa; se c'è una variazione che provoca un aumento di corrente, la tensione ai capi del dispositivo dovrà necessariamente diminuire, visto che dovrà in ogni caso essere valida la relazione appena scritta.

Il processo innescato si ripeterà fintanto che il dispositivo non si porta a funzionare nel punto P₁ che risulta stabile, in quanto ad un eventuale aumento di tensione corrisponde un aumento di corrente, secondo il comportamento classico.

Se, al contrario, dovesse esserci una diminuzione di corrente, si avrebbe un aumento di tensione e il diodo si porterebbe nel punto P₃.

Se gli estremi del percorso del punto di lavoro si trovassero entrambi in zona a conduttanza negativa, non ci sarebbe nessuna posizione stabile per il diodo, per cui comincerebbe ad oscillare tra i due punti, senza alcun bisogno di sollecitazioni esterne. E', questo, il tipico comportamento degli oscillatori, che generano un segnale sinusoidale in uscita. La situazione è riportata in fig. 6.2.1 , con la retta di carico che intercetta la caratteristica nei punti P₄ e P₅.

Il comportamento dei diodi Esaki, naturalmente, è lo stesso di tutti i dispositivi che presentano dei tratti della caratteristica a conduttanza negativa.
 

6.3 - Diodi "backward"

La caratteristica dei diodi backward è riportata in fig. 6.3.1:

Fig. 6.3.1 - E' riportata la caratteristica di un diodo Backward che presenta un'alta conducibilità inversa e una conducibilità diretta del tutto simile a quella di un diodo normale.

Per questi dispositivi il drogaggio è tale che il livello inferiore della banda di conduzione, nella zona N, è al limite del livello superiore della banda di valenza della zona P.

Una tensione inversa provocherà una sovrapposizione di queste bande, e si avrà passaggio di corrente in modo del tutto analogo ai diodi Esaki. Nella polarizzazione diretta , si avrà un comportamento da diodo normale.

Il funzionamento descritto giustifica il nome del dispositivo (backward), vista l'alta conducibilità inversa di questi diodi particolari.

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