Cenni sui semiconduttori (SC) 1. Un semiconduttore a bassissima temperatura (~ 0 K) ha una struttura...
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1
Cenni sui semiconduttori (SC)
Un semiconduttore a bassissima temperatura
(~ 0 K) ha una struttura cristallina
simile a quella “ideale”
non sono disponibili cariche libere
e si comporta come un isolante.
A temperatura ambiente (~ 300 K)
alcuni legami covalenti sono rotti
(energia termica fornita al cristallo)
e la conduzione diventa possibile
(elettroni liberi – cerchietti rossi ).
La mancanza di un elettrone in un
legame covalente (cerchietti verdi) è
detta lacuna.
Una lacuna può fungere da portatore
libero di carica.
Si
Si
SiSi
Si
Si
Si
SiSi
Si
LACUNA
LACUNA
ELETTRONE VERSO DESTRA = LACUNA VERSO SINISTRA
Introducendo delle impurezze nel cristallo di semiconduttore si possono alterarele sue proprietà elettriche. In particolare la sua conducibilità può aumentare di diversi ordini di grandezza.
impurezze pentavalenti – arsenico, fosforo, antimonio : un elettrone è più debolmente legato alla struttura cristallina (non partecipa ai legami covalenti) contribuisce alla concentrazione di elettroni liberidrogaggio di tipo n (donori ND= concentrazione di donori )
impurezze trivalenti – boro, indio, gallio: nella struttura cristallina manca un elettrone si ha una lacunadrogaggio di tipo p (accettori NA= concentrazione di accettori )
Si
SiSi
Si
P
B
Si
SiSi
Si
Semiconduttore
intrinsecoSemiconduttore
drogato p
Semiconduttore
drogato n
La conduzione può avvenire per effetto di spostamento di coppie elettroni-lacune del materiale puro (minority carrier) dando luogo alla conduzione intrinseca, o a causa del drogante (majority carrier),conduzione
estrinseca.
++
+
++ ++
+
++-
- ---
-
-- -
-
+ -++ +++ ++
+
++
-
-
-
- ---
--
Si
As
-
Minority carrier(rottura del legame) Majority carrier(dovuto al drogante)
n = p = ni = concentrazione intrinseca di elettroni (lacune) nel silicio puro
Legge di azione di massa : np= ni2
Se n oppure p variano per qualche ragione, l’altro fattore di questa relazione
varia in direzione opposta in modo da mantenere costante il prodotto.
La concentrazione intrinseca dipende dalla temperatura come:
ni 2 = Ao T3 e-Eo/kT con T = temperatura assoluta, k = cost Boltzmann (eV/K),
Ao = costante, Eo= energia necessaria per rompere un legame covalente
silicio a T ~ 300 K : numero di atomi /cm3 ~ 1022 ni ~ 1.5 1010 cm-3
rame : numero di atomi /cm3 ~ 1023 ni ~ 1023 cm-3
IMPORTANTE: nei conduttori la resistività aumenta con la temperatura
nei Semiconduttori, invece, diminuisce con la temperatura
Conseguenze della diffusione di portatori di carica
barretta di silicio drogata in modo non uniforme (GIUNZIONE p-n)
drogaggio p drogaggio n
+ + + ++
+ + + ++
+ + + ++
- - - --
- - - --
- - - --
drogaggio p drogaggio n
+ + ++
+ + ++
+ + ++
- - --
- - --
- - --
-
-
- +
+
+
diffusione (in un tempo brevissimo) di lacune verso destra e di elettroni verso sinistra
cattura di lacune nella parte n e di elettroni nella parte p
La nuova distribuzione di cariche genera un campo elettrico che si oppone alla
diffusione corrente totale = 0 a circuito aperto.
pp =concentrazione iniziale di lacune nel lato sinistro=NA concentrazione di accettori sul lato p
ND= nn = concentrazione di donori sul lato n
pn = concentrazione iniziale di lacune nel lato destro = ni2/ND
prendendo due punti 1 e 2:
campo E
zona di svuotamento
(non ci sono cariche libere)
alta probabilità di
ricombinazione tra
lacune e elettroni in
prossimità della
giunzione
1 2
Vo=V21 =VT ln (pp/ pn) = VT ln (NAND/ni2)
barriera di potenziale sia per gli elettroni
dalla parte n che per le lacune dalla parte p.
andamento della carica attraverso una giunzione
andamento del campo elettrico
andamento del potenziale
all’equilibrio: Idiff = Iterm = C e -qVokT Itot = Idiff - Iterm = 0
IdiffIterm
Idiff dovuta alla ricombinazione
elettroni/lacune
(spostamento di portatori maggioritari)
si genera un campo elettrico e
una barriera di potenziale
il campo elettrico spinge i portatori
minoritari attraverso la giunzione Iterm
k = costante di Boltzmann
Questo discorso vale a circuito aperto e senza alcuna polarizzazione esterna,
cioè senza l’applicazione di ddp esterne.
Applichiamo una ddp V1 – polarizzazione diretta:
-si abbassa la barriera di potenziale V’ = Vo – V
- si riduce la zona di svuotamento
- Iterm (corrente termica) rimane costante
- Idiff (corrente di diffusione) dipende dalla barriera di potenziale
+ + ++
+ + ++
+ + ++
- - --
- - --
- - --
-
-
- +
+
+
+ -
Idiff = C e-qVo/kT Idiff = C e–q(Vo-V)/kT
Itot=Idiff – Iterm =Ce–q(Vo-V)/kT -Ce-qVo/kT =Ce-qVo/kT (eqV/kT -1)= Io (eqV/kT -1)
dove Io = C e -qVo/kT
2 – polarizzazione inversa:
- allontanamento dei portatori liberi dalla giunzione
- si allarga la zona di svuotamento
- si alza la barriera di potenziale V’ = |V|+ Vo
- Iterm(corrente termica) rimane costante
- Idiff dipende dalla barriera di potenziale
- Idiff = C e -qVokT Idiff = C e –q(Vo+|V|)kT
Itot = Idiff – Iterm = C e –q(Vo+|V|)kT - C e -qVokT = C e -qVokT (C e –q|V|kT -1)
I = Io (e qVkT -1) dove Io = C e -qVokT
è l’equazione che descrive il comportamento di un DIODO
se qV >> kT è positivo la corrente varia in maniera esponenziale, mentre se V<0
la corrente tende ad un valore molto piccolo e negativo I = -Io
+ + ++
+ + ++
+ + ++
- - --
- - --
- - --
-
-
- +
+
+
+-
il diodo è un elemento circuitale non lineare, cioè ha un comportamento
non ohmico I = Io (e qVkT -1) = Io (eVD/VT-1)
dove è un parametro numerico che vale 1÷2 per il Silicio
VT = kT/q T/11600 equivalente in Volt della temperatura
Io è una costante detta corrente inversa di saturazione ~ 10-14 ÷ 10-15 A per il
Silicio
per =1, Io =10-14 A, VT = 25mV
per 0 < VD< 0.65 V il diodo è interdetto
piccole variazioni di tensione grandi
variazioni di corrente
VT = kT/q = T/11600 = equivalente in Volt della temperatura con k = 1.381 x 10-23 J/K
qVkT = V/VT
per VD >> VT I = Io e qVkT zona di conduzione
I1 = Io e VD1/VT I2 = Io e VD2/VT
I1/I2 = e (VD1-VD2)/VT VD1 –VD2 = VT/ ln I1/I2 25 mV ln (I1/I2)
se I1 =10 ∙I2 VD1 –VD2 57 mV piccola caduta di potenziale ai capi del diodo
Rf = resistenza associata al diodo in conduzione = V/I ha un valore molto piccolo
Per es.: Rf 800 mV/ 790 mA ~ 1
al contrario
se il diodo è interdetto la
resistenza associata al diodo
(Rr) è elevatissima.
DIODO IDEALE : polarizz. diretta = corto circuito
DIODO IDEALE : polarizz.inv = interruttore aperto
polarizz. inversa Io = 10-14 A, in realtà in la corrente misurata è più alta,
~ nanoAmpere, (questioni tecniche) e dipende dalla temperatura.Se si applica un potenziale inverso al diodo la corrente è quasi nulla fino a
che non si
ha un breakdown:1 - si rompono nuovi legami a causa del forte campo elettrico e la corrente inizia a crescere (Zener effect);2 - se V è alta la velocità degli elettroni è alta e rompe ancora altri legami (avalanche effect).
Il diodo Zener è un dispositivo
appositamente progettato per essere
utilizzato in quella zona come
stabilizzatore di tensione.
Nella pratica, un diodo reale comincia a
condurre quando V >V.
Un diodo reale è quindi equivalente a un
diodo ideale (V =0) in serie con un
generatore di tensione di valore V ed
una resistenza Rf
Rf
V
1/Rf
I
V
rappresentazione a tratti della caratteristica del diodo
NP
metallo semiconduttore
anodo catodo
polarizzazione diretta+
polarizzazione inversa+
Schottky Zener
simboli circuitali del diodo
hanno di solito un indicatore
dalla parte del catodo.
Esistono diversi tipi di diodo:- da segnale: bassa potenza (frazioni di W), piccola corrente inversa (A o
nA);- rettificatori: alte correnti dirette (da frazioni di A a 100 A);- rettificatori veloci (switching): tempi brevi per svuotare la giunzione;-LED: attraversati da corrente emettono luce;- Zener: lavorano in polarizzazione inversa; ve ne sono da 250 mV a 1,5
KV.
A CHE SERVONO I DIODI?CIRCUITO RADDRIZZATORE
segnale in ingresso: V(t) = Vo sin(t)
con Vo = 5 V, f= /2= 60 Hz, R= 100 , V =0.81 V
Eq. del circuito: Vosin(t)=VD +RI
Per VD = V 0.81 V, I = 0: la prima volta questo accade al tempo t1 tale che
sin(t1) = 0.81/5 V = 0.162 t1 = 0.43 ms
Nuovamente I = 0 per t2=7.9 ms
se V fosse 0 l’intera semionda sarebbe trasmessa
t(ms)
V
V1
t
Vd
t
Vs
t
Vc
t
PONTE DI DIODI
per esempio un diodo ZENER
RLC1
R1
1k
V1
Stabilizzatore
D3
D4
D2
D1
CIRCUITO RADDRIZZATORE A DUE SEMIONDE