La relazione esponenziale corrente-tensione nei diodi a conduzione diretta

3 giorni fa p Robert Keim Questo articolo spiega la caratteristica esponenziale corrente-tensione (I – V) in riferimento ai diodi, il concetto di "soglie" e il ruolo della temperatura nelle curve I – V. Quando si applica una tensione attraverso i due terminali di un diodo, con la tensione più alta sul lato dell'anodo e la tensione più bassa sul lato del catodo, scorrerà la corrente diretta (cioè la corrente dall'anodo al catodo). Se la tensione aumenta, la corrente diretta aumenterà e in questo modo un diodo è simile a un resistore: più tensione porta a più corrente. Tuttavia, se osserviamo attentamente il modo in cui la corrente aumenta, vediamo che i diodi sono molto diversi dai resistori. Se applichiamo una tensione in costante aumento a un resistore, otterremo una corrente in costante aumento. Con un diodo, d'altra parte, una tensione in costante aumento produrrà una corrente che inizialmente aumenta lentamente, quindi più rapidamente e infine molto rapidamente. Ciò si verifica perché la relazione tra la tensione diretta di un diodo e la sua corrente diretta è esponenziale piuttosto che lineare. Il seguente diagramma della corrente del diodo (ID) contro la tensione del diodo (VD) raffigura la caratteristica esponenziale corrente-tensione di un tipico diodo al silicio. Come puoi vedere, quasi nessuna corrente diretta fluisce quando la tensione diretta è inferiore a 0,5 V. Questa è la regione in cui la corrente aumenta lentamente rispetto all'aumento della tensione. Una regione di transizione, in cui i tassi di variazione di tensione e di variazione di corrente sono più comparabili, inizia intorno a 0,5 V. Tuttavia, questa regione di transizione è stretta e quando VD ha raggiunto 0,7 V, la corrente del diodo sta aumentando così rapidamente che molto piccola i cambiamenti nella tensione diretta creano grandi cambiamenti nella corrente diretta. Come dimostra la trama sopra, la relazione tra la corrente e la tensione di un diodo non è discontinua. La relazione è esponenziale piuttosto che lineare, ma la corrente aumenta comunque senza intoppi da zero a valori grandi. Pertanto, non esistono vere "soglie" nel comportamento elettrico di un diodo, se interpretiamo la "soglia" come una sorta di transizione istantanea da uno stato (come "non conduttore") a un altro stato (come "conduttore"). Detto questo, la natura esponenziale della caratteristica I – V di un diodo porta a valori di tensione che sono abbastanza simili alle soglie nel contesto del lavoro di ingegneria pratica. Pertanto, è spesso conveniente discutere le due tensioni indicate nel diagramma come se fossero soglie. La prima soglia, 0,5 V, identifica la transizione dal flusso di corrente trascurabile al flusso di corrente non trascurabile. Pertanto, quando discutiamo di circuiti pratici anziché di precisi dettagli scientifici, possiamo dire che un tipico diodo al silicio non consente al flusso di corrente fino a quando la tensione diretta non ha superato 0,5 V. La seconda soglia, 0,7 V, identifica il punto in cui la pendenza della curva I – V è diventata estremamente alta; possiamo usare 0,7 V come approssimazione della tensione caduta da un diodo al silicio completamente conduttore perché tensioni significativamente superiori a 0,7 V corrisponderebbero a quantità insolitamente elevate di corrente. I grafici mostrati sopra, che trasmettono la relazione I-V generale di un diodo di giunzione pn al silicio, non indicano valori di corrente esatti. Non ci dicono quanta corrente diretta scorre quando la tensione diretta del diodo è, ad esempio, 0,5 V o 0,7 V. Ciò è necessario, poiché la precisa relazione numerica tra tensione diretta e corrente diretta dipende dalle dimensioni fisiche di un dato diodo. Più specificamente, l'area della sezione trasversale della giunzione pn influenza fortemente la quantità di corrente diretta che fluisce rispetto alla tensione diretta. Pertanto, un diodo fisicamente piccolo destinato ad applicazioni a bassa potenza potrebbe avere 5 mA di corrente diretta quando la sua tensione diretta è 0,7 V e un diodo più grande destinato ad applicazioni ad alta potenza potrebbe avere ID = 500 mA a VD = 0,7 V . Un altro fattore che influenza la precisa relazione numerica tra tensione diretta e corrente diretta è la temperatura. Il valore di tensione che corrisponde a un dato valore di corrente aumenta al diminuire della temperatura. In altre parole, se un circuito mantiene una corrente del diodo, diciamo, 15 mA, la caduta di tensione del diodo a 10 ° C sarà maggiore della sua caduta di tensione a 20 ° C. Il diagramma seguente mostra questa dipendenza dalla temperatura come uno spostamento orizzontale della curva I-V. Spero che questo articolo ti abbia aiutato a capire la relazione tra una tensione di polarizzazione diretta applicata a un diodo e la corrente che scorre in risposta a quella tensione applicata. Nel prossimo articolo, continueremo questo argomento considerando i diodi che conducono avanti nel contesto dell'analisi dei circuiti.