Diodi e Diodi LED

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il diodo raddrizzatoreLa corrente elettronica è un flusso di elettroni che si muove dal polo negativo al polo positivo di un generatore come una batteria, un alimentatore ecc… Gli elettroni sono i portatori di carica, che genera questo particolare flusso. Le lacune di carica positiva sono dei “vuoti” che gli elettroni sfruttano “saltellando tra uno e l’altro” per trasportare la carica muovendosi dal polo negativo al positivo. La corrente elettrica convenzionale invece, considera il flusso per comodità dal positivo verso il negativo. Quando in un materiale gli elettroni sono liberi questo diventa conduttore poichè essi possono muoversi e trasportare la carica attraverso le lacune; mentre quando gli elettroni sono stabili oppure hanno riempito le lacune (i vuoti), la corrente elettrica non può piu attraversare quella zona.

Giunzione P-N
Un diodo è il più semplice tipo di semiconduttore esistente. Un semiconduttore come dice il nome, è un materiale capace di farsi attraversare o meno dalla corrente elettrica. Questo materiale viene creato “drogando” cioè aggiungento particolari elementi al silicio, per cambiarne il bilanciamento interno tra le lacune positive e gli elettroni negativi, dai quali dipende la conduttività. Nel caso dei diodi il materiale usato ha un perfetto bilanciamento tra cariche positive e negative e quindi non lascia elettroni liberi in grado di far passare corrente elettrica. Una parte di questo materiale però viene “drogato” aggiungendo carica positiva quindi creando lacune da un lato e cariche negative cioè elettroni dall’altro.  La regione con cariche positive è detta P-region mentre l’altra N-region.

diodo giunzione pn equilibrio

Quando al diodo non viene applicata tensione, gli elettroni tendono a riempire tutte le lacune nel punto di giunzione tra P ed N perdendo la loro libertà di movimento ed equilibrandosi nel punto di contatto formando una barriera isolante: la corrente non può piu circolare nel diodo!

 diodo giunzione pn equilibrio
Le cariche negative e quelle positive che vengono a contatto nella giunzione tra la regione P e la N, formano una zona in cui nessun elettrone riesce più a passare

Per eliminare la barriera, bisogna far si che le cariche negative passino dalla regione N alla regione P e le cariche positive facciano l’inverso, in modo da far uscire gli elettroni dalle lacune e renderli liberi. Per ottenere questo è necessario polarizzare il diodo in modo che la corrente convenzionale scorra dalla regione P alla regione N.

 diodo giunzione pn equilibrio
Una batteria collegata opportunamente ad un diodo fa si che le cariche negative della barriera ritornino libere, permettendo dunque la circolazione di corrente

In questa maniera, gli elettroni liberi nella regione N, respinti dalle cariche negative che arrivano dalla batteria si spostano verso la regione P ed allo stesso modo, le lacune della regione P si muovono verso la regione N. Quando questo processo raggiunge il limite la barriera si infrange permettendo nuovamente il passaggio della corrente elettrica.

E se avessimo collegato la batteria nel verso opposto, cosa sarebbe successo? Le cariche negative sarebbero state attratte dal polo positivo della batteria e quelle positive avrebbero fatto lo stesso dall’altro lato, aumentando ulteriormente l’efficacia della barriera!

diodo giunzione pn equilibrio
Una batteria collegata inopportunamente fa si che le cariche vengano attratte dal lato opposto della barriera impedendo di fatto il flusso di corrente

Il diodo LED
Un LED (light emitting diode) è un particolare tipo di diodo che grazie alla sua composizione emette luce quando il materiale semiconduttore è attraversato da una corrente. Il colore della luce emessa può dipendere dalla colorazione della capsula plastica o dai materiali aggiunti al silicio per emettere luce. La luminosità invece dipende dalla quantita di silicio e materiali aggiuntivi utilizzati.


  diodo giunzione pn equilibrio
Un piccolo Led

Esso è formato internamente da una parte di materiale semiconduttore sorretta da due filamenti visibili anche a occhio nudo, uno più grande ed uno piu piccolo. Escono poi i due terminali per il collegamento, anche qui quello piu corto che indica la parte negativa del led e quello piu lungo (ovviamente la parte positiva). La parte negativa deve essere connessa al terminale negativo di una batteria o comunque di una sorgente elettrica a basso voltaggio (solitamente tra 1 e 4 volts – per la giusta alimentazione leggere l’articolo successivo).

Come abbiamo detto per il diodo normale piu sopra, gli elettroni tendono ad occupare le lacune, ovvero i punti di carica positiva. Gli elettroni normalmente sono in orbita attorno i nuclei degli atomi “come un pianeta attorno al sole”: orbite piu basse significano energie piu basse, orbite piu alte energie alte. Quando un elettrone riempie una lacuna esso si stabilizza in un orbita piu bassa, quindi deve cedere dell’energia, che equivale alla differenza tra l’energia dell’orbita dove si trovava prima e quella dove si trova ora. L’energia ceduta viene rilasciata sotto forma di “fotone” cioè una unità di luce: tanti fotoni creano un fascio luminoso ben visibile. I materiali utilizzati nei diodi LED sono particolari materiali che accentuano questo effetto in modo considerevole, per permetterci di vederlo chiaramente ad occhio nudo.

diodo led effetto fotoelettrico
Quando la carica negativa raggiunge quella positiva libera un fotone

Questo processo accade in tutti i diodi ma è visibile solo in quelli in cui la frequenza dei fotoni prodotti è alta e visibile dall’occhio umano. In alcuni materiali, in cui gli elettroni hanno delle quantità inferiori di elettricità, la frequenza dei fotoni è bassa e non può essere percepita dal nostro occhio!

Potete fare un semplice test usando il vostro telecomando ad infrarossi (un classico esempio di fotoni a bassa frequenza) ed una videocamera. Se vi puntate il telecomando negli occhi e premete uno dei pulsanti non vedrete nessuna emissione di luce. Se fate la stessa operazione guardando il telecomando attraverso la fotocamera del vostro cellulare, vedrete il telecomando illuminarsi!

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