Come leggere la curva caratteristica I–V di un diodo

Cosa mostra la curva

L'asse orizzontale è la tensione ai capi del diodo e l'asse verticale è la corrente che lo attraversa. Una tensione positiva significa polarizzazione diretta (anodo più positivo del catodo) e una tensione negativa significa polarizzazione inversa.

A differenza di un resistore, il cui grafico I–V è una retta passante per l'origine, la curva di un diodo è fortemente non lineare. Si legge meglio in tre zone: la regione diretta a destra, la regione inversa a sinistra e la regione di breakdown molto a sinistra. Il punto in cui la corrente diretta inizia a salire in modo apprezzabile si chiama ginocchio.

Per seguire l'esempio, apri il simulatore del diodo PN. Il suo dispositivo predefinito è il preset 1N4148, con I_s = 4 nA, n = 1,9, una corrente nominale di 0,2 A e una tensione inversa nominale di 100 V, e la tensione applicata parte da 0,7 V.

L'equazione di Shockley

L'equazione del diodo ideale, dal nome di William Shockley, è I = I_s × (e^(V/(n × V_T)) − 1).

• I_s è la corrente di saturazione, la minuscola corrente inversa di una giunzione ideale. Nel preset 1N4148 vale 4 nA.
• n è il fattore di idealità, compreso tra circa 1 e 2 per le giunzioni reali. Il preset usa 1,9.
• V_T è la tensione termica, kT/q, circa 25,85 mV a temperatura ambiente, il valore usato da Curvo Studio.
• V è la tensione ai capi della giunzione.

Vale la pena ricordare due casi limite. Per V negativa di qualche V_T o più, l'esponenziale svanisce e I ≈ −I_s. Per V positiva oltre circa 0,1 V, il −1 si può trascurare e I ≈ I_s × e^(V/(n × V_T)), quindi la corrente cresce esponenzialmente con la tensione.

La regione diretta e la tensione di soglia

Nella regione diretta la corrente cresce di un fattore costante per ogni uguale incremento di tensione. Con il preset 1N4148, l'equazione di Shockley dà circa 0,11 mA a 0,5 V, 0,81 mA a 0,6 V, 6,2 mA a 0,7 V e 47 mA a 0,8 V. Ogni 0,1 V in più moltiplica la corrente per circa 7,7.

Lo stesso fatto si può esprimere per decade: la tensione necessaria per aumentare la corrente di dieci volte è n × V_T × ln(10), cioè circa 113 mV per n = 1,9.

Poiché l'esponenziale è continua, non esiste un unico ginocchio esatto. I libri di testo lo definiscono per convenzione, di solito come la tensione alla quale il diodo porta una corrente apprezzabile. Per questo preset la corrente raggiunge 1 mA a circa 0,61 V e 10 mA a circa 0,72 V. Per questo si dice che i diodi al silicio hanno una caduta di circa 0,6–0,7 V quando conducono. I diodi Schottky e altri tipi hanno un ginocchio più basso, e il valore esatto dipende da I_s, n, dalla corrente e dalla temperatura.

La conseguenza pratica è che un diodo in conduzione diretta mantiene la tensione quasi costante mentre la corrente varia moltissimo, quindi qualcos'altro nel circuito, di solito un resistore, deve limitare la corrente.

Corrente inversa

In polarizzazione inversa l'equazione dà una corrente di circa −I_s, indipendente dalla tensione. Per il preset sono −4 nA, molti ordini di grandezza sotto le correnti dirette viste sopra, quindi il diodo si comporta quasi come un circuito aperto.

I diodi reali hanno perdite maggiori di quelle previste dall'equazione ideale, e la corrente inversa aumenta rapidamente con la temperatura. Curvo Studio mantiene la versione semplice, un −I_s costante nella regione inversa, così si vede l'idea senza questi effetti aggiuntivi.

Breakdown

Se la tensione inversa diventa abbastanza grande, il diodo entra in breakdown e la corrente inversa sale in modo ripido. I normali diodi raddrizzatori e di segnale non sono fatti per lavorare in questa zona e la tensione inversa nominale è un limite da non superare.

Nel simulatore la tensione di breakdown è un parametro, 100 V per il preset 1N4148. Esattamente a quella tensione il modello dà −8 mA, il 4 % della corrente nominale, e oltre di essa la corrente inversa sale rapidamente, per esempio a circa −108 mA a 104 V. La visualizzazione della corrente è limitata a 1,5 volte la corrente nominale e il dispositivo viene segnalato in sovraccarico quando la corrente supera il valore nominale di 0,2 A.

La forma è un modello didattico: una regola a tratti e non un calcolo fisico dell'effetto valanga o dell'effetto Zener. I diodi Zener sono progettati per lavorare in questa regione, argomento della guida sul regolatore con diodo Zener.

Provalo nel simulatore

Apri il simulatore del diodo PN, scegli il preset 1N4148 e fai variare la tensione applicata.

• Imposta 0,5, 0,6, 0,7 e 0,8 V e annota ogni volta la corrente. Dovresti vedere circa 0,11 mA, 0,81 mA, 6,2 mA e 47 mA.
• Imposta una tensione negativa come −10 V. La corrente resta a circa −4 nA.
• Imposta −100 V e oltre per vedere la regione di breakdown.
• Passa al preset 1N4001 (I_s = 5 nA, n = 2, 1 A, 50 V) e confronta il punto in cui la sua corrente diretta diventa apprezzabile.

Questi valori derivano dalle stesse equazioni descritte sopra, quindi puoi anche calcolarli a mano e verificare il risultato.