I DiodiAutori:

19 marzo 2011

I diodi sono elementi passivi (nel senso che non generano potenza) a due ter-minali e non lineari. Sono costituiti da giunzioni p-n realizzate tramite semicon-duttori o tramite semiconduttori e metalli; il funzionamento di una giunzione p-n e`presentato in fig. 1.

Figura 1: Giunzione p-n: schema di funzionamento

Il contatto tra un semiconduttore drogato di tipo p (cioe` di un materiale in cuialcuni atomi sono stati sostituiti con accettori; nel caso del silicio, che ha 4 elettroni

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di valenza, si tratta di un materiale con 3 elettroni di valenza quale il boro) e uno ditipo n (drogato con atomi donatori, cioe` con 5 elettroni di valenza, quali il fosforo)provoca una densita` di carica nella zona di giunzione dovuta alla ricombinazione dielettroni e lacune libere, densita` che a sua volta genera un campo elettrico e quindiuna barriera di potenziale al successivo passaggio di portatori di carica liberi. Lazona priva di portatori liberi e` nota come depletion region o zona di svuotamento.Lapplicazione di una differenza di potenziale ai due lati della giunzione provocadue effetti diversi a seconda del segno di tale potenziale:

polarizzando il diodo in modo inverso, cioe` connettendo il terminale negativoal lato p e quello positivo al lato n, le lacune e gli elettroni vengono attrattidai rispettivi terminali e quindi la zona di svuotamento si allarga (fig. 2). Unavolta tolti i portatori liberi, nel diodo non circola corrente tranne quella dovutaalla formazione di ulteriori coppie a causa dellagitazione termica (correnteinversa, con valori tipici nel range pA-A)

polarizzando il diodo in modo diretto (fig. 3) la barriera di potenziale vieneabbattuta e nel diodo puo` circolare corrente. Laltezza della barriera dipendedal tipo di diodo e varia dagli 0.25 V del diodo Schottky agli 0.6 V dei diodipiu` comuni e a valori superiori a 1 V per i LED.

Figura 2: Polarizzazione inversa: schema elettrico e circuitale

Figura 3: Polarizzazione diretta: schema elettrico e circuitale

La curva IV di un diodo e` rappresentabile con lespressione:

I = I0(

eV

VT 1)

(1)dove I0 rappresenta la corrente inversa, e` un parametro che dipende dal tipo didiodo (per i diodi al silicio vale 2, VT = kTq = 25.3 mV a T =300 K. Un esempiodi curva IV e` presentato in fig. 4.

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Figura 4: Curva corrente-tensione di un diodo; la scala verticale positiva e` di-versa da quella negativa; nel plot inoltre non appare il breakdown per tensionisufficientemente negative.

La prova in laboratorio ha richiesto lesecuzione delle seguenti misure:

misura delle curve caratteristiche di una serie di diodi: 1N4007, 1N914 (diododi segnale), Zener, LED, Schottky

realizzazione di un circuito rettificatore a semionda e onda completa

misura del ripple in funzione del carico con un circuito rettificatore a ondacompleta

realizzazione di diversi circuiti clamping sia singoli che doppi

misura del comportamento di un fotodiodo

realizzazione di un simulatore di telecomando con acquisizione dei segnali

misura della costante di Planck utilizzando un set di LED

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1 Curve IVLe curve caratteristiche sono state misurate utilizzando il circuito in fig. 5. Il seg-nale in ingresso e` stato generato tramite un trasformatore. Il problema delle curve

Figura 5: Circuito per la misura delle curve IV

ottenute in questo modo e` che, essendo la corrente inversa molto piccola, non siottengono delle misure adeguate per effettuare un fit con la funzione 1. Per il fite per un diodo solo, i dati sono stati acquisiti sostituendo il generatore AC con ungeneratore di tensione che veniva alternato positivo e negativo a seconda della partedi curva da acquisire e misurando la caduta di tensione ai capi del diodo e quella aicapi della resistenza R=1M per calcolare la corrente.

QUI DOVETE METTERE: un esempio di curva IV per ogni diodo (e il valore della R con cui lavete

misurata) la curva misurata con il voltmetro e il generatore di tensione e il fit di

questa curva con i valori ottenuti per e per la corrente inversa

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2 Circuiti rettificatoriI diodi lasciano passare corrente solo se polarizzati direttamente per cui sono la basedella trasformazione di un segnale da AC a DC.I circuiti rettificatori eliminano la parte negativa di un segnale (rettificatore a semion-da) o la ribaltano (rettificatore a onda completa). Nel primo caso, il circuito e` rapp-resentato in fig. 6, mentre nel secondo e` stato usato un ponte di diodi come mostratoin fig. 7.

Figura 6: Circuito rettificatore a semionda.

Figura 7: Circuito rettificatore a onda completa.

QUI DOVETE METTERE per ognuno dei due circuiti: come avete effettuato la misura

il plot con il segnale in ingresso e il segnale in uscita

i commenti sul drop dovuto ai diodi

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3 Il rippleIl ripple e` definito come la variazione di tensione residua dopo la rettificazione. Perridurre il ripple, come primo step per ottenere un generatore di tensione continua daun ingresso a tensione alternata, si puo` costruire un circuito come quello in fig. 8.Durante la fase di salita dellonda, il condensatore si carica, mentre durante la fasedi discesa si scarica con una costante temporale che dipende dal carico.

Figura 8: Circuito per la misura del ripple; la resistenza Rs non e` stata usata nellamisura.

QUI DOVETE METTERE: la descrizione di cosa avete misurato (che condensatori, che resistenze di

carico) i plot risultanti e il valore del ripple misurato in funzione del carico

fit della scarica del condensatore per vedere se i parametri del fit concor-dano con i valori di R e C usati

qualsiasi commento riteniate interessante

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4 La misura della costante di PlanckTre sono stati gli esperimenti importanti che hanno segnato il passaggio dalla mec-canica classica a quella quantistica:

lesperimento di Millikan che ha misurato la carica di gocce dolio individualitrovando che la carica e` un multiplo intero della carica dellelettrone

lesperimento di Franck-Hertz che, tramite leccitazione di vapori atomici conbombardamento elettronico, dimostrarono che tale eccitazione e` possibile so-lo per energie di bombardamento discrete, misurando il primo stato eccitatodel mercurio

leffetto fotoelettrico, che e` lesperimento di interesse di questa misura

Gia` nel 1891 si era osservato come molti metalli sotto linfluenza della luce, inparticolar modo ultravioletta, emettono elettroni. Si era inoltre osservato che taleemissione dipende dalla frequenza della luce incidente e che per ogni metallo esisteuna frequenza critica al di sotto della quale lemissione non avviene.Einstein dimostro` come questo significasse che il campo elettromagnetico e` quan-tizzato, cioe` costituito da fotoni con energia E = h, con h=6.611034 Js costantedi Planck.Lesperimento ha permesso di misurare la costante di Planck in un modo diversodal solito, cioe` utilizzando i LED. I LED sono diodi costituiti da semiconduttoriquali GaAs e GaP con una composizione del tipo GaAs1xPx con x nel range 0-1, che emettono luce quando sono polarizzati direttamente. Il colore della luceemessa varia a seconda di x, andando dallinfrarosso (=950 nm) per x=0 al verde(=560 nm) per x=1.Quando passa corrente attraverso un diodo, gli elettroni passando dalla zona droga-ta di tipo n a quella di tipo p, dove cadono dalla banda di conduzione a quella divalenza. Nei diodi normali, la differenza in energia tra le due bande (energy gap)viene emessa sottoforma di calore mentre nel caso dei LED appare come luce dilunghezza donda diversa a seconda del gap:

E = h = hc (2)

La corrente che attraversa il diodo e` data dalla relazione

I = I0(

eV

VT 1)

(3)

con

VT =kT

e(4)

I0 = Ke

VgVT (5)

dove Vg = potenziale di gap. Se la corrente e` sufficientemente elevata, il -1 puo`essere trascurato:

I = KeVVg

VT (6)

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Figura 9: Setup per la misura della costante di Planck con i led.

La fig. 9 mostra il setup sperimentale; i LED sono collegati in serie e quindi sonoattraversati dalla stessa corrente, il cui valore va scelto in modo che il -1 nelleq. 3possa essere trascurato; in questo modo, V Vg e` costante.La tensione ai capi di ogni giunzione non coincide con quella ai capi del diodoa causa della resistenza del package del LED; le due tensioni sono legate dallarelazione:

V =Vm IR (7)con R resistenza interna del diodo. Se la corrente e` sufficientemente bassa, la cadutasu R puo` essere trascurata. In queste condizioni,

V Vg =V hce = cost (8)

da cuiV = cost +

hce (9)

Il fit lineare di V vs ce fornisce il valore della costante di Planck.

QUI DOVETE METTERE: i valori di corrente per cui avete fatto le misure

i plot e i fit per ognuno dei valori di corrente

i commenti con i risultati (in particolare, dovrebbe essere indicato semprea quante sigma si trova il valore ottenuto rispetto a quello atteso e se cisono indicazioni anche di errori sistematici

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