ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE MATERIA: TDP · proibita è definita banda proibita, o energia di gap,...

ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE

MATERIA: TDP

• BANDA DI VALENZA E DI CONDUZIONE

• ISOLANTI

• SEMICONDUTTORI

• METODO CZOCHRALSKY

• SEMICONDUTTORI DI TIPO N E P

• ACCRESCIMENTO EPITASSIALE E IMPIANTAZIONE IONICA

• LA GIUNZIONE PN ALL’EQUILIBRIO E POLARIZZAZIONE

• ALIMENTATORE STABILIZZATO CON USCITA VARIABILE LM 317

• DISSIPATORI DI CALORE

Banda di valenza e di conduzione

In un isolante o un semiconduttore, si definisce come banda di valenza quella della Struttura elettronica a bande più bassa in energia fra quelle occupate da elettroni. Il termine "valenza" è stato dato in analogia agli elettroni di valenza di un atomo, che sono quelli del guscio atomico più esterno. E come in un atomo, gli elettroni di valenza di un solido sono quelli responsabili delle caratteristiche fisiche principali del solido. I semiconduttori sono materiali che hanno una resistività (o anche unaconducibilità) intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Essi sono alla base di tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici a stato solido quali i transistor, idiodi e i diodi ad emissione luminosa (LED). Le proprietà dei semiconduttori diventano interessanti se vengono opportunamente drogati con impurità. Le loro caratteristiche quali resistenza, mobilità, concentrazione dei portatori di carica sono importanti per determinare il campo di utilizzo. La risposta di un semiconduttore a una portante dipende dalle sue caratteristiche intrinseche e da alcune variabili esterne come la temperatura.

Livelli energetici nei solidi

La principale caratteristica dei solidi è la distribuzione di livelli energetici possibili in bande di energia separate da intervalli proibiti (GAP).

Nei conduttori di solito l'ultima banda (detta banda di conduzione) non è completamente riempita e quindi esistono livelli non occupati contigui in energia a quelli occupati. Gli elettroni possono accedere a questi livelli vuoti ricevendo energia da un campo elettrico esterno; questo comporta una densità di corrente concorde al campo. Gli elettroni delle bande inferiori, che sono tutte piene, non acquistano energia e non influiscono nel processo di conduzione. L'ultima banda piena si chiama banda di valenza.

Questa configurazione non è l'unica che permetta di avere proprietà di conduzione. Può accadere che l'ultima banda completamente piena si sovrapponga a quella successiva vuota. Questo tipo di struttura a bande si trova, ad esempio, nel magnesio, e spiega perché questo ha una buona conducibilità elettrica pur avendo la banda di conduzione vuota come gli isolanti. Nel magnesio la banda di conduzione (formata dagliorbitali 3p) è vuota ma non c'è una banda proibita con la banda di valenza piena (dagli orbitali 3s) perché questa "sale" a coprire parte della banda 3p.

Non sono conduttori i solidi refrattari in cui l'ultima banda contenente elettroni è completamente piena e non è sovrapposta alla banda successiva. Questa è la configurazione che caratterizza gli isolanti e i semiconduttori. L'ampiezza della zona proibita è definita banda proibita, o energia di gap, o con l'espressione inglese band gap.

Con questo parametro è possibile definire i semiconduttori come quei solidi la cui banda proibita è abbastanza piccola da far sì che ad una temperatura inferiore al punto di fusione si possa osservare statisticamente una conduzione non trascurabile (comunque inferiore a quella dei conduttori, ma superiore a quella degli isolanti) dovuta al passaggio dei portatori di carica dalla banda di valenza (piena) a quella di conduzione per eccitazione termica[1]. Semiconduttori intrinseci

Nel silicio e nel germanio l'energia di gap a temperatura ambiente (300 K equivalenti a 27 °C) è di E = 1.12 eV per il silicio, E = 0.42 eV per il germanio. Questi solidi si comportano come isolanti a temperature prossime allo zero assoluto (a T= 0 K equivalenti a -273,15 °C il gap è 1.17 eV per il silicio e 0.74 eV per il germanio). Quando la temperatura aumenta non è trascurabile la probabilità che gli ultimi elettroni, presenti nella banda di valenza, possano passare alla banda di conduzione, per eccitazione termica. Gli elettroni passati alla banda di conduzione sotto l'azione di un campo elettrico esterno danno luogo a una densità di corrente je Ogni elettrone che passa dalla banda di valenza alla banda di conduzione, lascia un livello vuoto definito lacuna.

La presenza delle lacune rende disponibili altri livelli che possono essere occupati da altri elettroni della banda di valenza e quindi si può avere un moto ordinato di cariche, sotto l'azione di un campo elettrico anche nella banda di valenza. Si parla quindi di una densità di corrente nella banda di valenza jh In un semiconduttore in presenza di un campo elettrico esterno abbiamo un flusso di carica negativa dovuto agli elettroni nella banda di conduzione, sia rispetto alla nuvola stazionaria degli elettroni di valenza, un flusso di carica positiva dovuto alle lacune nella banda di valenza. Chiamando ne ,nh le concentrazioni degli elettroni e delle lacune e ve , vh le velocità di deriva, una opposta e una concorde al campo elettrico esterno, la densità di corrente totale è data da

e considerando le mobilità (le mobilità sono diverse tra di loro perché descrivono due condizioni fisiche diverse)

abbiamo che

Nei semiconduttori descritti sin qui, le cariche sono quelle fornite esclusivamente dagli atomi del semiconduttore stesso.

In questa condizione ; questa uguaglianza definisce i semiconduttori intrinseci per i quali abbiamo che

dove σi si chiama conduttività del materiale.

La concentrazione ni dei portatori di carica dipende dalla temperatura secondo la

funzione dove C è una costante che dipende dal materiale e è la costante di Boltzmann. Questa formula è valida quando . Per materiali solidi questa condizione è sempre verificata. Semiconduttori estrinseci

I semiconduttori estrinseci o drogati sono quei semiconduttori ai quali vengono aggiunte impurità tramite il processo di drogaggio. Piccole percentuali di atomi diversi aumentano le proprietà di conduzione del semiconduttore: per quanto detto sui legami dei semiconduttori intrinseci, sappiamo che questi hanno legami tetravalenti cioè ogni atomo è legato ad altri quattro atomi dello stesso tipo nel reticolo cristallino, ciò è dovuto all'esistenza di quattro elettroni di valenza degli atomi (silicio, germanio) del semiconduttore. Aggiungendo atomi pentavalenti cioè che hanno cinque elettroni di valenza entro il conduttore (fosforo, arsenico, antimonio) si ha un aumento di elettroni di conduzione: questo tipo di drogaggio viene chiamato drogaggio di tipo n.

Se invece aggiungiamo atomi trivalenti al semiconduttore cioè atomi che hanno tre elettroni di valenza nei livelli energetici più esterni (boro,gallio, indio), questi creano delle cosiddette trappole per gli elettroni, cioè creano legami che non sono stabili entro il conduttore e attraggono gli elettroni liberi in modo da stabilizzarsi. A tutti gli effetti, l'assenza di elettroni all'interno del reticolo cristallino di un semiconduttore può essere considerata come una presenza di una carica positiva detta lacuna che viaggia entro il conduttore esattamente come l'elettrone (ovviamente tenendo conto della carica). Questo tipo di drogaggio viene chiamato drogaggio di tipo p.

Statisticamente un semiconduttore drogato tipo n o tipo p segue la legge di azione di massa, cioè in un semiconduttore estrinseco:

cioè il prodotto delle concentrazioni (numero elettroni o numero lacune per metro cubo) rimane costante.

Siano ND,NA le concentrazioni di impurezze rispettivamente degli atomi pentavalenti e trivalenti: esse sono il numero di atomi droganti per metro cubo immessi nel semiconduttore, D sta a significare che gli atomi sono donatori cioè forniscono elettroni, A che sono accettori cioè forniscono lacune. In un semiconduttore tipo n, :

cioè il numero di elettroni di conduzione in un semiconduttore tipo n è circa uguale a quello delle impurità pentavalenti presenti (o meglio, la concentrazione di elettroni liberi è approssimativamente uguale alla densità di atomi donatori). Dalla legge di azione di massa deriva che:

.

Ovviamente relazioni analoghe valgono anche per i semiconduttori drogati tipo p.

. Corrente nei semiconduttori

La corrente nei semiconduttori può essere dovuta sia all'azione di un campo elettrico esterno sia alla presenza di un gradiente di concentrazione di portatori di carica. Il primo tipo di corrente è la classica corrente elettrica detta corrente di deriva o di drift, la seconda avviene per il fenomeno della diffusione elettrica.

La densità di corrente di diffusione per le lacune e per gli elettroni sono:

dove q è ovviamente la carica, Dp,Dn sono costanti di diffusione e le frazioni rappresentano esattamente i gradienti delle concentrazioni (p, n) in funzione della lunghezza.

La corrente totale in un semiconduttore sarà allora la somma di queste due correnti e sarà descritta dall'equazione detta equazione di drift-diffusion:

dove µp,µn sono le mobilità dei portatori di carica.

I coefficienti D,µ sono fenomeni termodinamici e quindi non sono fra loro indipendenti ma vale l'equazione di Einstein:

dove VT è l'equivalente in tensione dellatemperatura e vale , dove k è la costante di Boltzmann e T la temperatura assoluta in kelvin.

ISOLANTI

Un isolante è un materiale con particolari caratteristiche, si può avere:

Isolante termico se si oppone al passaggio di calore Isolante elettrico se offre una elevata resistenza al passaggio di corrente Isolante acustico se attenua il passaggio di suoni Isolamento termico (Reindirizzamento da Isolante termico)

Per isolamento termico si intendono tutti i sistemi e le operazioni costituenti gli sforzi atti a ridurre il flusso termico scambiato tra due ambienti a temperature differenti. L'isolamento termico in edilizia è volto, principalmente, al fine di contenere il calore all'interno degli edifici (per la protezione dal caldo estivo è più corretto parlare di "schermatura dal calore"). L'associazione nazionale di riferimento per l'Isolamento termico è l'ANIT. È chiamata casa energetica un'unità abitativa ad elevato grado di isolamento termico.

L'isolamento termico di un determinato materiale è la stessa cosa della conducibilità

termica ed ha la stessa unità di misura: il Lambda, espresso in .

Se invece consideriamo un elemento costruttivo nel suo insieme parliamo

del coefficiente totale di trasmissione termica U (espresso in ):

dove:

hi e he sono i coefficienti di convezione termica o di adduzione con l'ambiente, convenzionalmente si applicano: 8: aria stagnante (interni e pareti esterne ventilate o con intercapedine) 23: aria in condizione di trasporto convettivo (esterni) ∞: per elementi costruttivi nel terreno

λ1,λ2...λn sono i coefficienti di conducibilità termica dei materiali che compongono l'elemento

d1,d2...dn sono i rispettivi spessori Rg è la resistenza al passaggio termico di strati di aria immobili

Per la realizzazione dell'isolamento termico esistono svariate tecniche e materiali, quest'ultimi possono essere di origine:

Minerale Vegetale Petrolchimica Animale Origine minerale

Struttura cellulare

Argilla espansa Perlite espansa Vermiculite espansa Pomice Vetro cellulare

Ottima resistenza alla pressione, impermeabilità al vapore, resistente all'umidità. Costituito in buona parte da vetro riciclato, rappresenta un ottimo isolante (è anche privo di sostanze nocive) ma ha un bilancio energetico pessimo.

Lana di roccia

Chiamata anche lana minerale, si ottiene fondendo i minerali che la compongono, risolidificandoli sotto forma di fibre che spesso sono tenute insieme da un legante a base di resine termoindurenti.

Calcio silicato Origine vegetale

Struttura fibrosa

Fibra di cellulosa

Ottenuta da carta di giornale riciclata è un prodotto riutilizzabile e riciclabile. È igroscopica, traspirante, un buon fonoisolante efonoassorbente. Può essere utilizzata in fiocchi, grani e pannelli. Dal punto di vista del bilancio energetico ed ecologico è uno degli isolanti più interessanti.

Fibra di legno

I pannelli di fibra di legno vengono prodotti partendo da scarti di lavorazione che vengono sminuzzati e pressati, il collante è la lignina, naturalmente presente nel legno. Fibra di legno mineralizzata

Il processo di produzione di questi pannelli è completamente diverso da quello dei pannelli in fibra di legno, rispetto ai quali hanno una migliore inerzia termica.

Fibra di canapa Fibra di lino Fibra di cocco

Da sempre utilizzata in oriente.

Fibra di juta Canna lacustre

La canna lacustre unisce a una discreta capacità isolante un eccellente resistenza all'umidità. Questo la rende ideale, oltre che per fare tetti, per fare l'isolamento a cappotto in zone umide.

Struttura cellulare

Sughero

La coibentazione con sughero ha come base di partenza sempre il prodotto granulato, che viene ricavato dalla polpa pulita della corteccia. Il granulato può essere utilizzato direttamente (per intercapedini, ecc.) oppure trasformato in pannelli. I pannelli si possono realizzare in due modi: tramite incollaggio (pannelli più chiari) oppure tramite una sorta di sinterizzazione: riscaldando e comprimendo i granuli si provoca la fuoriuscita della suberina che raffreddandosi lega i granuli (pannelli scuri).

Origine petrolchimica

Poliuretano

I poliuretani espansi rigidi sono realizzati con polimeri e hanno valori di conduttività termica estremamente bassi.

Polistirene o Polistirolo

Si presenta in due forme: Polistirolo espanso (EPS)

Quello comunemente usato per gli isolamenti perimetrali, si ottiene mescolando gas compresso al polistirolo fuso e raffreddando rapidamente la miscela.

Polistirolo estruso (XPS)

Sopporta pressioni specifiche più alte ed è adatto alle zone umide.

Origine animale

Lana di pecora Tabella riassuntiva

Materiale λ (W/m*K)

Densità (kg/m3)

Fibra di cellulosa 0,040 50 Lana di vetro 0,045-0,032 8-100 Canna palustre 0,038-0,044 Vetro cellulare 0,038 - 0,050 105 - 165 Calcio silicato 0,06 250

Isolante elettrico

Si definiscono isolanti elettrici, o dielettrici, tutte quelle sostanze la cui conducibilità elettrica è estremamente bassa (in alcuni casi si può supporre nulla). Si differenziano quindi dai conduttori (per esempio i metalli), i quali hanno una bassissima resistività elettrica (inverso della conducibilità). Descrizione

Questa proprietà degli isolanti è dovuta al fatto che in loro è presente una banda energetica proibita molto ampia e che l'energia termica non basta ad eccitare gli elettroni a sufficienza per andare oltre tale banda. Pertanto la banda di conduzione, che si trova al di là, rimane vuota; la conduzione risulta impossibile. Gli isolanti si distinguono dai semiconduttori, i quali hanno la differenza di energia fra le due bande di 1 - 4 eVraggiungibile per molti elettroni del materiale (vedi statistica di Boltzmann) con la sola energia termica presente a temperatura ambiente. Isolante o Dielettrico

I termini "isolante" e "dielettrico" sono considerati sinonimi, tuttavia mentre il primo definisce semplicemente l'impossibilità di un materiale di condurre corrente a causa dell'assenza di cariche libere, il secondo è generalmente usato per gli isolanti le cui molecole possono esserepolarizzate se soggette ad un campo elettrico.

Condensatore riempito con materiale dielettrico: le cariche negative del dielettrico vengono spostate verso la piastra carica positivamente a sinistra. Così facendo si crea un campo elettrico orientato verso sinistra che annulla parzialmente quello creato dalle armature. (L'intervallo vuoto è mostrato per chiarezza; un condensatore reale è totalmente riempito da dielettrico) Ogni materiale dielettrico è caratterizzato da due costanti: la permeabilità magneticae la permittività elettrica del materiale. Da queste si deducono per ogni materiale una permeabilità magnetica relativa e una permittività elettrica relativa, riferite ai valori delle stesse costanti nello spazio vuoto. Applicazioni

La struttura atomica dei dielettrici rende la loro energia di ionizzazione relativamente elevata e quindi è interessante il loro utilizzo in condensatori. Infatti sotto l'azione di un campo elettrico ogni sostanza si ionizza diventando un conduttore. Dato che l'energia dovuta al campo elettrico in un condensatore è E = qV, dove q è la caricaconsiderata e V è la tensione fra le due armature, i condensatori con dielettrici, potendo sopportare energie maggiori, possono conseguentemente sopportare tensioni maggiori rispetto all'aria od al vuoto migliorando le prestazioni del condensatore stesso.

Mettendo del dielettrico in un condensatore, la capacità C di quest'ultimo viene aumentata di un fattore εr, chiamata costante dielettrica relativa, tipica del dielettrico considerato:

dove ε0 è la costante dielettrica del vuoto, A l'area delle armature e d la distanza fra le armature stesse.

Questo succede perché il campo elettrico polarizza le molecole del dielettrico, producendo frazioni di cariche sulle armature che creano un campo elettrico opposto (antiparallelo) a quello già presente nel condensatore. Vedendo la situazione da un altro punto di vista si può dire che, con un dielettrico all'interno di un condensatore, all'aumentare del campo elettrico in esso aumenta la quantità di carica

immagazzinatasi. Difatti è: . Aumentando C e lasciando invariata V, q deve aumentare. Isolamento acustico

Camera anecoica

L'isolamento acustico è il ramo della tecnica che si occupa di limitare la diffusione del suono. Principi generali

Nel campo dell'isolamento acustico in edilizia vale la legge di massa:

la quale esprime che il coefficiente di trasmissione di potenza sonora aumenta al diminuire della massa della parete per unità di area e dellafrequenza del suono; questa espressione è valida per pareti omogenee, le quali separino ambienti pieni d'aria, per frequenze non troppo superiori ai 3000 Hz e per onde con incidenza normale.

Si introduce poi il concetto di potere fonoisolante:

ovvero R = 20 log (Mf) - 42,4

A questo punto si deve però sottolineare che le formule appena citate hanno valore solo in prima approssimazione (e comunque spesso sono sostituite da altre simili, di tipo sperimentale) e che il fenomeno dell'isolamento acustico di una parete reale è decisamente più complesso. Si prova di seguito a darne una descrizione.

In un primo intervallo di basse frequenze delle onde sonore incidenti, il potere fonoisolante di un pannello tendenzialmente cresce, ma con ampie oscillazioni dovute alla risonanza del pannello stesso (fenomeno avvertibile dall'orecchio umano solo con pannelli molto rigidi e fini, per esempio metallici). In un secondo intervallo di medie frequenze si ha una crescita in accordo con la legge di massa. In un ultimo intervallo di elevate frequenze si ha, all'inizio, una ulteriore crescita, seguita subito da un brusco calo, detto effetto di coincidenza: le componenti tangenziali delle onde sonore incidenti arrivano a coincidere con le frequenze di risonanza flessionali del pannello, così che sulla faccia di uscita dello stesso si hanno non solo le onde sonore che sono riuscite a passare, ma anche quelle provocate dalle vibrazioni in risonanza del pannello stesso.

Questo ragionamento permette di calcolare (ma solo in prima approssimazione, in mancanza di dati sperimentali più affidabili) il potere fonoisolante di un certo materiale:

si calcola R con la formula sperimentale R = 18 log (Mf) - 44, fermandosi a una frequenza tale per cui il valore di R ne raggiunge uno ben definito per ogni tipo di materiale;

si mantiene R costante a tale valore per un intervallo di frequenze (medie) dipendente dal materiale;

si aumenta R di 6 dB per ogni ottava in un terzo intervallo di alte frequenze. Pareti isolanti

Si inizia con una breve premessa: non è possibile parlare di materiali fonoisolanti così come si parla di materiali fonoassorbenti, ma al massimo si può parlare di strutture con elevato potere fonoisolante.

Nel momento in cui risulti necessario creare un isolamento acustico tra due ambienti, si deve prevedere l'inserimento di materiali fonoisolanti all'interno della struttura muraria. Se poi si vuole migliorare l'isolamento senza appesantire eccessivamente la struttura, conviene costruire pareti doppie, con interposto uno strato d'aria. Le due superfici non devono essere rigidamente collegate e l'intercapedine deve essere di

almeno 4 cm, così che il potere fonoisolante tenda alla somma dei poteri delle due partizioni considerate separate. A volte conviene introdurre nello spazio vuoto materiale fonoassorbente per eliminare le riflessioni interne.

Per misurare l'isolamento in un edificio già costruito, si posiziona una sorgente sonora di livello noto nelle varie frequenze in una stanza e unfonometro in un ambiente contiguo. Si ottiene, per ogni banda, il potere fonoisolante normalizzato:

con D differenza del livello medio di pressione sonora nei due ambienti e A assorbimento acustico. Dn risulta sempre minore del potere fonoisolante rilevato in laboratorio in quanto tiene conto anche del rumore trasmesso per via strutturale. Isolamento dal rumore impattivo

Un urto su una struttura orizzontale crea vibrazioni che successivamente si trasmettono all'ambiente sottostante come rumore. Un primo provvedimento è quello di costruire strutture pesanti, che non vengano messe in vibrazione da urti non eccezionali.

La norma ISO R140 definisce il livello di rumore di calpestio come:

dove L è il livello di pressione media nella stanza ricevente quando in quella emittente funziona la macchina normalizzata produttrice di rumore di calpestio, A0 = 10 m2 e A è l'assorbimento della stanza ricevente. Ln viene rilevato alle varie frequenze.

Si può analizzare l'isolamento dal rumore impattivo anche tramite Li, coefficiente di isolamento ai rumori impattivi, cioè la diminuizione in dB alle varie frequenze raggiunta grazie all'utilizzo di una certa struttura orizzontale rispetto a quella in cemento non armato e non rivestito.

Una tecnica particolare è costituita dai pavimenti galleggianti, che presentano un'interposizione di materiale resiliente (sughero, gomma...) tra ilsolaio e la soletta di supporto del pavimento (e fino alle pareti perimetrali), in modo da ridurre la trasmissione delle vibrazioni e quindi del rumore. Infine si rileva la possibilità di ridurre la trasmissione di rumore da calpestio mediante controsoffittature e rivestimento dei pavimenti conmoquette e tappeti.

SEMICONDUTTORI DI TIPO N E P

I semiconduttori sono materiali che hanno una resistività (o anche unaconducibilità) intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Essi sono alla base di tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici a stato solido quali i transistor, idiodi e i diodi ad emissione luminosa (LED). Le proprietà dei semiconduttori diventano interessanti se vengono opportunamente drogati con impurità. Le loro caratteristiche quali resistenza, mobilità, concentrazione dei portatori di carica sono importanti per determinare il campo di utilizzo. La risposta di un semiconduttore a una portante dipende dalle sue caratteristiche intrinseche e da alcune variabili esterne come la temperatura. Livelli energetici nei solidi





Con questo parametro è possibile definire i semiconduttori come quei solidi la cui banda proibita è abbastanza piccola da far sì che ad una temperatura inferiore al punto di fusione si possa osservare statisticamente una conduzione non trascurabile (comunque inferiore a quella dei conduttori, ma superiore a quella degli isolanti) dovuta al passaggio dei portatori di carica dalla banda di valenza (piena) a quella di conduzione per eccitazione termica[1].

Semiconduttori intrinseci




abbiamo che











cioè il numero di elettroni di conduzione in un semiconduttore tipo nè circa uguale a quello delle impurità pentavalenti presenti (o meglio, la concentrazione di elettroni

liberi è approssimativamente uguale alla densità di atomi donatori). Dalla legge di azione di massa deriva che:

.









dove VT è l'equivalente in tensione della temperatura e vale

METODO CZOCHRALSKY

Con questo metodo, sviluppato negli anni '20 del secolo scorso dal chimico polacco Jan Czochralski, l'accrescimento di un lingotto di silicio prende avvio dalla fusione di frammenti di silicio in un crogiolo in grafite rivestito da uno strato di quarzo di grande purezza a temperatura di fusione di 1.414 °C. A un certo punto un piccolo cristallo di silicio viene usato come seme avvicinandolo al materiale in fusione. Imprimendo al seme una lenta trazione verso l'esterno e facendo contemporaneamente ruotare il crogiuolo, parte della materia fusa inizia a solidificarsi intorno alla matrice, accrescendo progressivamente le sue dimensioni originarie. Proprio per far sì che la solidificazione avvenga nel punto di contatto del seme con il materiale in fusione, la temperatura della materia fusa viene mantenuta il più possibile costante. Ciò permette agli atomi di silicio di disporsi esattamente in base alla stessa struttura delreticolo cristallino del seme. Con il metodo Czochralski la crescita del lingotto è di circa 5 cm/h e il risultato finale sarà un cilindro del diametro approssimativo di 20 cm, di circa un metro di lunghezza e del peso compreso fra i 70 e i 75 kg. Durante il periodo di liquefazione, la purezza del silicio viene in generale incrementata, anche se proprio in questo momento sono abbastanza comuni processi di contaminazione da parte di sostanze estranee, il maggiore limite di questo metodo. La dissoluzione del crogiuolo è la causa principale di tale contaminazione e si manifesta con inquinamento del silicio da parte di ossigeno e carbonio. L'ossigeno provoca una degradazione della cella osservabile fin dalle prime ore di esposizione alla luce e che si concretizza in una perdita, mai superiore all'1%, dell'efficienza di conversione fv. Sistemi assai costosi per evitare contaminazioni vengono generalmente impiegati quando si voglia ottenere silicio di purezza estremamente elevata e non vengono tenuti in considerazione nel caso della grande,produzione,industriale. Il più comune di questi è l'utilizzo di campi magnetici che tengono il materiale fuso distanziato il più possibile dalle pareti del crogiolo (il che dà origine a silicio CZ definito "ad accrescimento magnetico": MCZ). Tali processi sono estremamente costosi, convenienti quindi solo per produzioni di laboratorio o per il mercato della microelettronica. La fase di fusione è tuttavia anche quella in cui il silicio subisce la contaminazione volontaria con sostanze dopanti: boro o fosforo a seconda che si

voglia ottenere silicio di tipo p- o n-, sostanze queste che vengo no aggiunte in quantità pa ri a 1,5 IO16 cm"3 e che danno come risultato finale una resistenza di 1 Q per cm. Le efficienze delle celle ottenute da lingotti prod Czochralski vanno dal

15% delle più comuni, al 22% ottenuto in laboratorio con celle costituite generalmente di silicio MCZ

SEMICONDUTTORI DI TIPO N E P

I semiconduttori sono materiali che hanno una resistività (o anche unaconducibilità) intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Essi sono alla base di tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici a stato solido quali i transistor, idiodi e i diodi ad emissione luminosa (LED). Le proprietà dei semiconduttori diventano interessanti se vengono opportunamente drogati con impurità. Le loro caratteristiche quali resistenza, mobilità, concentrazione dei portatori di carica sono importanti per determinare il campo di utilizzo. La risposta di un semiconduttore a una portante dipende dalle sue caratteristiche intrinseche e da alcune variabili esterne come la temperatura. Livelli energetici nei solidi





Con questo parametro è possibile definire i semiconduttori come quei solidi la cui banda proibita è abbastanza piccola da far sì che ad una temperatura inferiore al punto di fusione si possa osservare statisticamente una conduzione non trascurabile

(comunque inferiore a quella dei conduttori, ma superiore a quella degli isolanti) dovuta al passaggio dei portatori di carica dalla banda di valenza (piena) a quella di conduzione per eccitazione termica[1]. Semiconduttori intrinseci




abbiamo che



cioè il numero di elettroni di conduzione in un semiconduttore tipo nè circa uguale a quello delle impurità pentavalenti presenti (o meglio, la concentrazione di elettroni liberi è approssimativamente uguale alla densità di atomi donatori). Dalla legge di azione di massa deriva che:

.









dove VT è l'equivalente in tensione della temperatura e vale

ACCRESCIMENTO EPITASSIALE E IMPIANTAZIONE IONICA

ACCRESCIMENTO EPITASSIALE

Per epitassia si intende la deposizione di sottili strati di materiale cristallino su un substrato massivo, anch'esso cristallino, che ne indirizza la crescita e ne determina le proprietà strutturali. Lo spessore dello strato epitassiale può variare dalla frazione di nanometro a centinaia di micron. L'epitassia può definirsi omoepitassia quando il materiale epitassiale è lo stesso del substrato massivo, oppure eteroepitassia, quando il materiale epitassiale è chimicamente differente dal substrato. Tecniche epitassiali

Le tecniche epitassiali sono molte. Tra le più comuni, l'epitassia da fase liquida (LPE, dall'inglese Liquid Phase Epitaxy) permette di crescere strati epitassiali molto spessi, mentre l'epitassia da fasci molecolari (MBE, dall'inglese Molecular Beam Epitaxy) e la deposizione di vapori chimici con precursori metallorganici (MOCVD, dall'inglese Metal-Organic Chemical Vapour Deposition) permettono un controllo dello spessore dei materiali dell'ordine del singolo strato atomico e sono adatte a crescere spessori relativamente sottili, fino a pochi micron.

IMPIANTAZIONE IONICA

'impiantazione ionica è un processo in cui degli ioni vengono impiantati in un solido (in particolare in un semiconduttore) cambiandone le proprietà fisiche. Scopo del processo

La fase principale nella costruzione dei dispositivi elettronici è quella nota come drogaggio, ovvero introdurre quantità controllate di impurezze di tipo N o P, nelle zone dei wafer di semiconduttore, precedentemente delineate con le operazioni di mascheratura.

L'introduzione di queste sostanze permette di alterare la resistività del materiale, modificando quindi il suo comportamento elettrico.

Questa tecnica permette di far fronte alle limitazioni riguardanti il drogaggio dei semiconduttori. Il problema si pone con l'utilizzo della semplice tecnologia planare. Con questa infatti, i droganti penetrano all'interno del materiale da drogare non solo verticalmente ma anche orizzontalmente, occupando un'eccessiva area. In questo modo non si favorisce la produzione di dispositivi ad alta scala di

integrazione (VLSI) in quanto lo "spanciamento" del materiale drogante non consente l'apertura tramite attacco chimico di una nuova finestra nelle immediate vicinanze.

Nell'impiantazione ionica si bombardano i wafer con ioni di drogante accelerati ad alta velocità permettendo dunque la penetrazione di questi all'interno del materiale semiconduttore. Note storiche

L'impiantazione ionica fu inventata poco tempo dopo l'invenzione del transistor (1951). Un brevetto di William Bradford Shockley risale al 1954 e descrive potenzialmente tutti gli aspetti dell'impiantazione ionica.

Questa tecnica venne utilizzata nella fabbricazione dei dispositivi solo molto tempo dopo, essenzialmente per due motivi:

necessità di apparecchiature grandi e costose; danneggiamento da radiazione.

Le prime applicazioni risalgono alla fine degli anni '60. Lindhard, Scharff, Schiott svilupparono contemporaneamente la teoria dell'impiantazione ionica, la cosiddetta teoria LSS.

A partire dagli anni '70, la tecnica dell'impiantazione ha trovato un impiego sempre maggiore nella tecnologia dei semiconduttori, ed è oggi largamente utilizzata nel campo dell'elettronica. Le ragioni di questo sviluppo sono l'economicità e alcune caratteristiche tecnologiche. Tale tecnica permette infatti la realizzazione di dispositivi con:

minor consumo energetico; rese di produzione più elevate, in ragione al fatto che il processo è eseguito

sotto vuoto e quindi risente in minor misura di contaminazioni da elementi chimici indesiderati;

risparmio di componenti chimici essendo un processo a secco, e quindi ecologicamente anche preferibile.

Principio di funzionamento

Togliendo un elettrone da un atomo le cariche positive non vengono più bilanciate da quelle negative, l'atomo dunque non è più neutro dal punto di vista elettrico, e si produce uno ione di carica positiva pari a e = 1,6021 *10-19 C. Se sono rimossi più elettroni la carica q è pari a multipli interi di e.

Questa particella carica, se posta in un campo elettrico corrispondente ad un potenziale V, viene accelerata fino ad acquistare una energia cineticaEc pari a:

dove q è la carica dello ione, m la sua massa e v la velocità acquistata.

La velocità così acquistata dalla particella le permetterà di penetrare più o meno in profondità nel cristallo di semiconduttore.

Aumentando il potenziale V l'accelerazione fornita alle particelle sarà maggiore, aumentando così la velocità che acquisteranno nel loro tragitto all'interno dell'impiantatore ionico. Il risultato che così otteniamo è una maggiore penetrazione della particella nel cristallo (a parità di specie atomica e tipo di substrato).

È possibile calcolare la velocità che acquista uno ione accelerato dai forti campi elettrici di un impiantatore. Consideriamo uno ione fosforo, ionizzato una volta: 31P+ (dove 31 è il peso atomico, P il simbolo chimico del fosforo e + il numero di carica dello ione). Questo ione posto in un campo elettrico di 100.000 V, acquista una energia pari a:

E = qV = 1 * 100.000 = 100.000keV

È possibile calcolare la velocità dello ione utilizzando la seguente formula:

dove la velocità v è espressa in km/s, l'energia E in keV e la massa m in unità di massa atomica.

Per il nostro esempio la velocità dello ione sarà:

Schema di un impiantatore ionico [modifica]

Fondamentalmente un impiantatore ionico è costituito dalle seguenti parti principali:

Sorgente Ionica

Magnete di Analisi

Accelerazione

Sistema di Scansione

Camera di impiantazione La Sorgente Ionica

È la camera nella quale vengono ionizzati i gas o i vapori per ottenere ioni della specie drogante desiderata.

Ad esempio:

PH³ -> 31P+ As³ -> 75As+

Gli ioni si ottengono tramite l'impatto ad alta velocità di elettroni sul gas da ionizzare. Gli urti provocano la perdita di elettroni negli orbitali esterni del gas ionizzato. Gli ioni vengono immessi ad alta velocità in una camera di espansione in cui è presente il gas drogante il quale, a sua volta, si ionizza per bombardamento

Magnete di Analisi (Analizzatore)

Permette di analizzare e selezionare le varie specie di ioni in funzione delle loro masse per far sì che solo la specie ionica impostata possa essere impiantata sul wafer.

Lo scopo è raggiunto tramite un magnete che analizza la massa degli ioni (spettrometro di massa). Questo separatore utilizza un unico campo magnetico la cui intensità è regolata da una corrente di magnetizzazione che, applicata a tutti gli ioni, li divide in diversi fasci differentemente deviati a seconda della loro massa.

Accelerazione

Questa parte della macchina fornisce agli ioni l'energia richiesta dal processo di impiantazione. Il fascio ionico entra in una colonna acceleratrice o in un sistema di elettrodi che aumentano enormemente la velocità degli ioni per effetto di un campo elettrico applicato.

La funzione "accelerazione" può essere posta prima o dopo il magnete di analisi. Questa è la maggior differenza strutturale che può distinguere un impiantatore da un altro.

Sistema di scansione

Le dimensioni trasversali di un fascio ionico quando colpisce il wafer di silicio, variano, a seconda della macchina, da pochi mm a qualche cm. Per ottenere un drogaggio uniforme occorre che ogni punto del wafer venga esposto al fascio per lo stesso tempo (considerando costante l'intensità del fascio e la sua densità).

Questa condizione può essere ottenuta provocando un movimento relativo tra fascio e wafer, in modo che il fascio descriva sul wafer una o più tracce parallele. Se la spaziatura tra queste tracce e sufficientemente fine l'impianto sarà omogeneo. Il moto relativo tra fascio e wafer può essere ottenuto essenzialmente in tre modi:

Scansione elettrostatica: il fascio si muove nelle due direzioni ed il wafer rimane fermo.

Scansione ibrida: il fascio si muove in una direzione e il wafer nell'altra.

Scansione meccanica: il fascio rimane fermo e si muove solo il wafer. Nel caso in cui è il fascio a muoversi si utilizza un sistema di deflessione è analogo a quello degli oscilloscopi, che devia il fascio in senso orizzontale e verticale attraverso specifiche placchette di deflessione

Camera di impiantazione

Il wafer è posto all'interno di questa camera sotto vuoto spinto un supporto circolare ruotante. Tutte queste parti della macchina sono poste in ambiente in cui sono rigorosamente controllate le condizioni di vuoto, a valori di pressione molto inferiori a quelli atmosferici.

Il vuoto permette di diminuire, anche di molto, la densità di molecole di gas presenti nella camera. Questa condizione è necessaria per avere:

un'atmosfera controllata per evitare contaminazioni

un buon trasporto del fascio ionico

una corretta misura della dose impiantata.

Parametri di processo

Per parametri di processo si intendono quei fattori che caratterizzano un particolare processo di impiantazione. Per ogni processo sono definite:

la specie ionica

l'energia di impianto

la dose di impianto Specie ionica

L'impiantazione, come detto, consiste nell'accelerare degli ioni contro un bersaglio (il wafer). Una volta ionizzato il gas che contiene l'elemento chimico da impiantare, è possibile separare questo elemento dal resto del fascio ionico. Per la separazione delle masse il metodo più utilizzato è l'impiego di un campo magnetico.

I composti chimici solitamente utilizzati per gli impianti sono:

Composto Nome Stato Ione

BF3 Trifluoruro di boro Gas 11 B+

PH3 Fosfina Gas 31 P+

AsH3 Arsina Gas 75 As+

Ar Argon Gas 40 Ar+

Sb2O3 Triossido di Antimonio Solido 121 Sb+

(CH3)3Sb Trimetilantimonio Liquido 121 Sb+

Energia

Il fascio ionico all'uscita della sorgente ha un'energia troppo bassa per poter essere utilizzato nell'impiantazione. Esso viene quindi accelerato da un sistema di elettrodi.

L'energia di impianto determina la profondità dello strato impiantato nel wafer di semiconduttore, ad esempio di silicio. Ovviamente non tutti gli ioni impiantati si posizionano alla stessa profondità nel semiconduttore, ma si distribuiscono all'interno del wafer con una forma che è approssimabile ad una curva gaussiana.

Una curva gaussiana è caratterizzata da due valori particolari, nel nostro caso:

Rp (Projected Range) indica la profondità in cui si ha il picco di concentrazione del drogante. Questo determina la posizione della maggior parte degli ioni, data la velocità che hanno acquistato per effetto del campo elettrico; Rp, dunque, definisce la penetrazione media.

Una frazione di ioni via via decrescente penetrerà nel semiconduttore ad una profondità maggiore o minore di quella media. Il valore ΔRp è la deviazione standard della gaussiana, e definisce dunque la dispersione degli ioni attorno al punto di massima concentrazione.

I due parametri dipendono dalla specie ionica e dall'energia. Energie maggiori permettono, a parità di ione, una penetrazione media maggiore. A parità di energia di impianto, gli ioni più leggeri penetrano più in profondità.

Dose

Il terzo parametro da impostare è la dose. La sua unità di misura è atomi/cm². La dose esprime il numero di ioni incidenti per unità di superficie, quindi la concentrazione del drogante introdotto.

Questa è una misura insolita per processi di diffusione dove il livello di drogaggio è espresso in numero di impurità di volume (atomi/cm³). La relazione che lega il valore di concentrazione massima Nmax alla distanza Rp dalla superficie con valore di dose D è dato dalla seguente espressione:

Nmax = 4 * 10 + 7D / ΔRp

dove ΔRp è misurato in Å.

Come indicazione estremamente grossolana si può, per avere un'idea del drogaggio massimo che si ottiene con un certo impianto, aumentare di 3 - 4 ordini di grandezza il valore della dose in ioni/cm².

La macchina è in grado di misurare la dose impiantata misurando la corrente del fascio.

Vantaggi

Possibilità di introdurre quasi ogni tipo di impurità in vari substrati.

Controllo accurato della quantità di drogante introdotto, con il controllo della velocità delle molecole.

Controllo accurato della distanza di penetrazione.

Possibilità di regolare lo spessore dello strato drogato in maniera totalmente indipendente dalla dose impiantata.

Buona uniformità e ripetibilità dell'operazione (± 3%).

Controllo del profilo di impiantazione modulando l'energia. Lo spessore della giunzione è dell'ordine dei micron con un controllo migliore di 100 Å.

Possibilità di drogare attraverso strati di ossido o di nitruro di silicio.

Possibilità di utilizzare photoresist come schermante.

Processo a temperatura ambiente.

Possibilità di avere livelli di drogaggio 4 ordini di grandezza inferiori rispetto alla diffusione e quindi quantità introdotte molto basse.

L'allargamento spaziale dei droganti è molto contenuto. Svantaggi

Difficoltà nel controllare la quantità dell'impianto in quanto non vi è attivazione elettrica del cristallo.

Necessità di un ciclo termico di attivazione della carica impiantata (annealing).

Danneggiamento della struttura cristallina del silicio che deve essere recuperato con un opportuno ciclo termico (annealing).

Apparecchiature complicate e costose.

Giunzioni non passivate automaticamente. Infatti, il drive-in che segue alla predisposizione nella tecnica di diffusione, permette la crescita di uno strato di ossido.

LA GIUNZIONE PN ALL’EQUILIBRIO E POLARIZZAZIONE

Quando due semiconduttori diversi vengono messi a contatto l'uno all'altro, si realizza una struttura comunemente indicata come "giunzione". In particolare si fa riferimento alle giunzioni P-N realizzate mettendo insieme due semiconduttori drogati uno di tipo P ed uno di tipo N.

Tali strutture, realizzate con semiconduttori dello stesso tipo, sono anche indicate come "omostrutture" per distinguerle dalle"eterostrutture" che sono realizzate mettendo insieme semiconduttori di natura diversa; in questo caso le giunzioni prendono il nome di "eterogiunzioni".

All'atto della formazione della giunzione stessa, la situazione è quella illustrata in figura 4.1.1:

Fig Nella figura viene illustrata la situazione di partenza all'atto della costruzione di una giunzione P-N .Sono evidenziati i livelli di Fermi Efp nella zona drogata di tipo P e Efn nella zona drogata di tipo N.

Questa situazione non è di equilibrio, in quanto gli elettroni tendono a muoversi, per diffusione, nella zona P, dove sono in numero notevolmente

inferiore. La situazione è la stessa per le lacune, che diffonderanno dalla zona P alla zona N.

Diventa così altamente probabile la ricombinazione elettrone lacuna, nelle vicinanze della giunzione. Nella ricombinazione si avrà la restituzione, sotto varie forme, di una quantità di energia Eg pari all'ampiezza della banda proibita. Ad esempio, nei diodi composti da Arseniuro di Gallio (GaAs) questa energia verrà emessa sotto forma di fotoni di frequenza

dove h è la costante di Planck.

Il processo di diffusione in realtà si arresta ben presto. Gli elettroni e le lacune, nel loro moto, lasciano dietro di se gli ioni positivi degli atomi donori e gli ioni negativi degli atomi accettori. Il campo elettrostatico dovuto a queste cariche, immobili nel reticolo, si oppone al moto di diffusione deformando le bande di valenza e di conduzione, come viene illustrato in figura 4.1.2.

Fig. Viene evidenziata la deformazione delle bande, una volta raggiunto l'equilibrio in una giunzione. Si noti il livellamento delle energie di Fermi.

Nella nuova condizione di equilibrio, che si raggiunge quando i livelli di Fermi saranno uguali, sarà difficile per gli elettroni "arrampicarsi" lungo la banda di conduzione, così come sarà difficile muoversi per le lacune.

Nelle immediate vicinanze della giunzione verrà a crearsi una zona vuota di portatori (depletion layer) con profondità complessiva Wd , che si estenderà

nelle zone N e P in maniera inversamente proporzionale al drogaggio. E' evidente che il numero degli ioni positivi, da una parte, deve essere uguale a quello degli ioni negativi dall'altra, per la neutralità della carica spaziale.

Chiamando Wn e Wp l'estensione della zona di svuotamento nelle parti drogate di tipo N e P, rispettivamente, abbiamo dunque

Nd Wn = Na Wp

con Nd ad indicare la densità degli atomi "donori", e Na quella degli atomi "accettori".

La zona di svuotamento complessiva sarà, dunque

Wd = Wn + Wp

Possiamo anche esprimere Wn e Wp in funzione della estensione della zona di svuotamento complessiva Wd e delle densità di drogaggio Nd e Na , ottenendo:

Fig. Le estensioni della zona di svuotamento Wn (in verde), nella zona drogata di tipo N, e della Wp (in celeste), nella zona drogata di tipo P, sono

tali da soddisfare il principio della neutralità di carica. La carica positiva da un lato deve necessariamente uguagliare la carica negativa dall'altra.

L'estensione della zona di svuotamento in ogni lato della giunzione dipende dal � , cioè dal tempo di vita media dei portatori, al termine del quale esse si ricombinano. In questo tempo percorrono una distanza che possiamo esprimere come:

Ln e Lp sono le lunghezze di diffusione nella zona N e zona P, mentre �n e �p sono i tempi di vita media rispettivamente degli elettroni e delle lacune. Dn e Dp sono i coefficienti di diffusione.

Anche le cariche minoritarie si sposteranno per effetto del campo elettrostatico ad esse favorevole, ma anche questo processo viene ad essere bloccato per effetto della repulsione delle cariche maggioritarie, dello stesso segno.

All'equilibrio il numero di cariche di un segno che attraversa la giunzione in un verso è uguale al numero di cariche che l'attraversa in verso opposto

Itot = I magg. + Imin = 0

4.2 - Polarizzazione di una giunzione

Se il polo positivo di un generatore è applicato alla zona tipo N e quello negativo alla zona P, si dirà che la giunzione èpolarizzata inversamente. In questa situazione il campo elettrico svuoterà le due zone dei portatori maggioritari ed accentuerà l'inclinazione delle bande, aumentando l'estensione della Wp e Wn:

Fig. - La polarizzazione inversa di una giunzione causa l'allargamento della zona di svuotamento (in rosso nella figura), mantenendo sempre valido il principio della neutralità di carica.

Fig. - Nella polarizzazione inversa si avrà una accentuazione dell'inclinazione delle bande, ai lati della giunzione, e la corrente sarà dovuta solo alle cariche minoritarie, che trovano condizioni a loro favorevoli.

Le cariche minoritarie saranno le uniche responsabili del flusso di corrente attraverso la giunzione. Tale valore di corrente è di norma trascurabile, ma ha una forte dipendenza diretta dalla temperatura. Un aumento ulteriore della tensione inversa aumenterà soltanto l'inclinazione delle bande.

Lungo queste bande fortemente inclinate, è molto facile che le cariche acquistino, tra un urto e l'altro, energie sufficienti a creare nuove coppie elettrone-lacuna, determinando un effetto a valanga e aumentando fortemente la corrente inversa, se il campo elettrico raggiunge valori particolari.

Questo è il tipico comportamento dei diodi "Zener", nei quali si hanno grandi variazioni di corrente per piccole variazioni della tensione inversa di polarizzazione. Questa proprietà viene sfruttata, essenzialmente, per stabilizzare le tensioni.

Collegando un diodo "Zener" in parallelo ad un carico, in modo che sia polarizzato inversamente, le variazioni di corrente saranno assorbite dal diodo stesso, mentre la tensione rimane pressocchè costante.

Invertendo la polarità della tensione applicata, positiva nella zona P e negativa nella zona N, la giunzione verrà polarizzata direttamente. In queste condizioni il campo elettrico esterno si opporrà a quello dovuto agli ioni fissi nella zona di svuotamento, tendendo a livellare le bande.

Fig. - Quando la polarizzazione diretta avrà equilibrato le bande, annullando l'effetto degli ioni fissi all'interno della giunzione, la corrente potrà fluire tranquillamente attraverso la giunzione stessa.

Quando il campo elettrico esterno eguaglierà quello interno, le bande torneranno ad essere in piano. Oltre questo valore le cariche possono tranquillamente fluire attraverso la giunzione con intensità di corrente di molto superiore a quella inversa di saturazione, essendo dovuta al moto delle cariche maggioritarie. Si avrà, pertanto, una forte ricombinazione elettrone-lacuna in prossimità della giunzione.

La corrente potrà fluire solo in una direzione, essendo la corrente inversa trascurabile, solo se la tensione diretta, applicata alla giunzione, supera una certa soglia necessaria a livellare le bande. Il valore di tale soglia dipende solo dal tipo di materiale usato e vale intorno a 0.2 V per il Germanio (Ge), 0.6 V per il Silicio (Si) e 1.5 V per l'Arseniuro di Gallio (GaAs).

I dispositivi che hanno tali caratteristiche di unidirezionalità, realizzati quindi con una giunzione, vengono comunemente indicati come "DIODI".

ALIMENTATORE STABILIZZATO CON USCITA VARIABILE LM 317

REGOLATORI DI TENSIONE VARIABILE, POSITIVA E NEGATIVA

INTRODUZIONE. In un qualunque circuito elettronico, una delle parti più importanti è lo stadio dell'alimentazione. Esite tutta una serie di regolatori di tensione per poter fornire al circuito le giuste tensioni. I regolatori di tensione variabile più usati sono: LM317 e LM337, rispettivamente per la tensione positiva e negativa, prodotti dalla National Semiconductor: Vediamo da più vicino questi componenti...

LM317: tensione positiva. I regolatori di tipo LM317 permettono di ottenere delle tensioni positive variabili a piacimento, mediante solo due resistenze. Inoltre esitono, sostanzialmente, due sotto-serie del circuito integrato LM317: LM317 e LM317L. La differenza riguarda la corrente che sono in grado di fornire in uscita: fino a 1,5A e fino a 100mA, rispettivamente. Può essere utile sapere che il ripple, l'odulazione in uscita è al massimo di -80db, ovvero -10.000 volte il valore della tensione nominale. Quindi per Vout=5volt, il ripple di di soli 0,5mV! Infine la potenza massima dissipabile è di 15W: per basse tensioni in uscita, è necessario prestare un po' di attenzione per stabilire la massima tensione in ingresso, tenendo contro della corrente che si andrà a prelevare... Nella tabella si possono vedere le principali caratteristiche per ciascuna sotto-serie.

MODELLO Vout-min [V]

Vout-max [V]

(Vout-Vin)min [V]

(Vout-Vin)max [V]

Iout-min [mA]

Iout-max [mA]

LM317 1,25 37 3 40 3,5 1500 LM317L 1,25 37 3 40 3,5 100

Il disegno posto qui sotto mostra il tipico circuito elettronico completo di un regolatore di tensione positiva fissa. E' presente anche l'elenco dei valori dei componenti consigliati. Il diodo D1 serve per scaricare il condensatore C3 durante lo spegnimento, in modo che non venga danneggiato il circuito integrato; D2 per scaricare C4 in caso di corto circuito in uscita. C4 stabilizza la tensione di regolazione sul terminale "R".

La tensione in uscita viene stabilita mediante il valore di R2, in quanto R1=220 Ohm, come viene consigliato dalla casa costruttrice. C'è una formula (semplificata) per determinare Vout, nota R2, tenendo conto che Vout è espresso in Volt e R2 in Ohm:

Vout= 1,25 * ( 1 + R2 / R1 )

Conoscendo invece Vout è possibile risalire al valore di R2, mediante la formula posta sotto, tenendo conto che R2 è espresso in Ohm, Vout in Volt:

R2= ( (Vout/1,25) - 1 ) * R1

Il valore di R2 calcolato, difficilmente corrisponderà ad uno standard. Così è necessario scegliere il valore standard più vicino e poi usare la prima formula e ricavare la tensione Vout con il valore standard di R2 e così si valuta di quando Vout differisce dal valore che si voleva ottenere. Per diminuire ancora di più tale scarto, è possibile variare leggermente il valore di R1, scegliendo tra 270 Ohm e 560 Ohm. Lo scarto in percentuale può essere calcolato mediante la seguente formula:

%= 100 * (1 * (valore ideale - valore reale))

Per R1 e R2 si possono usare delle normali resistenze da 1/4 di Watt.

R1= 220 Ohm da 1/4 di Watt R2= vedere formula nel testo C1= 47-100 uF C2= 100 nF C3= 1-10uF C4= 10uF D1= 1N4007 D2= 1N4007 IC1= LM317 o LM317L NOTA: Il valore del condensatore C1 deve essere maggiore di quello di C3, per evitare di danneggiare IC1.

ESEMPIO: Si vuole ottenere una tensione di 3,3Volt. Applicando la seconda formula si ottiene R2= 360 Ohm, valore non standard, dato che i valori più vicini sono 330 Ohm e 390 Ohm. Con i due valori standard, vediamo i valori reali di tensione in uscita, che sono rispeottivamente di: 3,125V e 3,466V. Il valore degli scarti sono rispettivamente: 17,5% e 16,6%. Così appare evidente che il valore migliore è di 390 Ohm. Cambiando il valore di R1, è possibile avvicinarsi al valore di tensione richiesta. In realtà, se

MAGGIORE CORRENTE IN USCITA. A volte può capitare di aver bisogno di una maggiore corrente in uscita, superiore a 1,5 A, valore massimo che può fornire il circuito integrato LM317... Questo è possibile aggiungendo un transistor PNP di potenza (per esempio 2N2905), come è possibile vedere nel disegno posto qui sotto...

R1= 220 Ohm da 1/4 di Watt R2= vedere testo R3= 22-33 Ohm, 3 W C1= 47-100 uF C2= 100 nF C3= 1-10uF C4= 10uF D1= 1N4007 D2= 1N4007 T1= Transistor PNP di potenza, per esempio, TIP42C della Fairchild o altri. IC1= LM317 o LM317L NOTA: Il valore del condensatore C1 deve essere maggiore di quello di C3, per evitare di danneggiare IC1.

REGOLATORE DI CORRENTE POSITIVA REGOLABILE. Un uso un po' particolare del circuito integrato LM317 è quello di regolatore di corrente (variabile), usando solamente un resistore di adeguata potenza...

Fissando R1, espresso in Ohm, è possibile calcolare la corrente in uscita, in Ampere, grazie la seguente formula::

Iout= 1,25 / R1

Se invece si vuole calcolare il valore della resistenza, conoscendo la corrente Iout, si può usare la formula posta qui sotto:

R1= 1,25 / Iout

Utilizzando la formula appena vista, per un dato valore di corrente richiesto, spesso e volentieri il valore di R1 non è standard. Così bisogna usare la prima formula e si può varificare lo scarto di valore tra quello appena calcolato e quello richiesto. Lo scarto in percentuale può essere calcolato mediante la seguente formula:


Inoltre è da considerare la potenza massima, espressa in Watt, che la resistenza R1 è in grado di dissipare senza danni:

Pdiss= R1 * Iout * Iout

Ottenuto il valore è necessario calcolare un valore standard pari anche a 5 volte quello ottenuto.

R1= vedere formula nel testo C1= 47-100 uF C2= 100 nF C3= 1-10uF IC1= LM317 o LM317L NOTA: Il valore del condensatore C1 deve essere maggiore di quello di C3, per evitare di danneggiare IC1.

ESEMPIO: Si vuole ottenere una corrente di 600mA= 0,5 A. Applicando la seconda formula si ottiene R1= 2,08 Ohm. Chiaramente non è un valore standard: quello che più si avvicina è 2,2 Ohm. Usando la prima formula si ottiene una corrente reale di 570mA, ovvero uno scarto di 30mA, a cui corrisponde un valore del 5%.

PIEDINATURA E CONTENITORI. I circuiti integrati LM317 e LM317L, non solo differiscono per la diversa corrente massima in uscita, ma anche per il contenitore, invece la piedinatura rimane la stessa. Ricordo che nell'LM317, il dissipatore metallico è collegato al piedino centrale, ovvero al segnale di uscita.

LM337: tensione negativa. I regolatori di tipo LM317 permettono di ottenere delle tensioni positive variabili a piacimento, mediante solo due resistenze. Inoltre esitono, sostanzialmente, due sotto-serie del circuito integrato LM317: LM317 e LM317L. La differenza riguarda la corrente che sono in grado di fornire in uscita: fino a 1,5A e fino a 100mA, rispettivamente. Può essere utile sapere che il ripple, l'odulazione in uscita è al massimo di -80db, ovvero -10.000 volte il valore della tensione nominale. Quindi per Vout=5volt, il ripple di di soli 0,5mV! Infine la potenza massima dissipabile è di 15W: per basse tensioni in uscita, è necessario prestare un po' di attenzione per stabilire la massima tensione in ingresso, tenendo contro della corrente che si andrà a prelevare... Nella tabella si possono vedere le principali caratteristiche per ciascuna sotto-serie.

MODELLO Vout-min [V]

Vout-max [V]

(Vout-Vin)min [V]

(Vout-Vin)max [V]

Iout-min [mA]

Iout-max [mA]

LM337 -1,25 -37 -3 -40 -3,5 -1500 LM337L -1,25 -37 -3 -40 -3,5 -100

Il disegno posto qui sotto mostra il tipico circuito elettronico completo di un regolatore di tensione positiva fissa. E' presente anche l'elenco dei valori dei componenti consigliati. Il diodo D1 serve per scaricare il condensatore C3 durante lo spegnimento, in modo

che non venga danneggiato il circuito integrato; D2 per scaricare C4 in caso di corto circuito in uscita. C4 stabilizza la tensione di regolazione sul terminale "R".

La tensione in uscita viene stabilita mediante il valore di R2, in quanto R1=220 Ohm, come viene consigliato dalla casa costruttrice. C'è una formula (semplificata) per determinare Vout, nota R2, tenendo conto che Vout è espresso in Volt e R2 in Ohm:

Vout= -1,25 * ( 1 + R2 / R1 )

Conoscendo invece Vout è possibile risalire al valore di R2, mediante la formula posta sotto, tenendo conto che R2 è espresso in Ohm, Vout in Volt:

R2= ( (-Vout/1,25) - 1 ) * R1

Il valore di R2 calcolato, difficilmente corrisponderà ad uno standard. Così è necessario scegliere il valore standard più vicino e poi usare la prima formula e ricavare la tensione Vout con il valore standard di R2 e così si valuta di quando Vout differisce dal valore che si voleva ottenere. Per diminuire ancora di più tale scarto, è possibile variare leggermente il valore di R1, scegliendo tra 270 Ohm e 560 Ohm. Lo scarto in percentuale può essere calcolato mediante la seguente formula:


Per R1 e R2 si possono usare delle normali resistenze da 1/4 di Watt.

R1= 220 Ohm da 1/4 di Watt R2= vedere formula nel testo C1= 47-100 uF C2= 100 nF C3= 1-10uF C4= 10uF D1= 1N4007 D2= 1N4007 IC1= LM337 o LM337L NOTA: Il valore del condensatore C1 deve essere maggiore di quello di C3, per

evitare di danneggiare IC1.

REGOLATORE DI CORRENTE NEGATIVA REGOLABILE. Un uso un po' particolare del circuito integrato LM317 è quello di regolatore di corrente variabile, usando solamente un resistore di adeguata potenza... Fissando R1, espresso in Ohm, è possibile calcolare la corrente in uscita, in Ampere, grazie la seguente formula::

Iout= -1,25 / R1

Se invece si vuole calcolare il valore della resistenza, conoscendo la corrente Iout, si può usare la formula posta qui sotto:

R1= -1,25 / Iout

Utilizzando la formula appena vista, per un dato valore di corrente richiesto, spesso e volentieri il valore di R1 non è standard. Così bisogna usare la prima formula e si può varificare lo scarto di valore tra quello appena calcolato e quello richiesto. Lo scarto in percentuale può essere calcolato mediante la seguente formula:


Inoltre è da considerare la potenza massima, espressa in Watt, che la resistenza R1 è in grado di dissipare senza danni:

Pdiss= R1 * Iout * Iout

Ottenuto il valore è necessario calcolare un valore standard pari anche a 5 volte quello ottenuto.

R1= vedere formula nel testo C1= 47-100 uF C2= 100 nF C3= 1-10uF IC1= LM337 o LM337L NOTA: Il valore del condensatore C1 deve essere maggiore di quello di C3, per

evitare di danneggiare IC1.

PIEDINATURA E CONTENITORI. Le due sotto-serie LM337 e LM337L, non solo differiscono per la diversa corrente massima in uscita, ma anche per il contenitore e per la piedinatura, cosa cui prestare molta attenzione. Qui sotto sono riportate queste importanti informazioni. Ricordo che nell'LM337, il dissipatore metallico è collegato al piedino centrale, ovvero al segnale d'ingresso.

DISSIPATORI DI CALORE

In elettronica un dissipatore è un dispositivo che consente l'abbassamento di temperatura di componenti che sprigionano calore come i Transistor o i processori, evitando che il surriscaldamento degli stessi ne provochi il malfunzionamento, l'arresto o la rottura.

I materiali utilizzati sono il rame e l'alluminio; il primo viene impiegato nei casi dove occorra la massima efficienza nel trasferimento termico, accettandone il maggior costo e il maggior peso specifico, l'alluminio viene scelto per condizioni operative meno impegnative. Tutte leCPU ne sono dotate a causa dell'elevato calore generato. Solitamente è a forma toroidale, configurato a lamelle, per aumentare l'efficienza nella sottrazione di calore, viene accoppiato ad una ventola mossa da un piccolo motore elettrico (collegato direttamente alla scheda madre) che fornisce un flusso di aria di ventilazione. Ne esistono di molte altre forme, conformate in funzione dei componenti a cui devono essere applicati, in alcuni casi, prevalentemente apparecchiature voluminose sviluppanti molto calore, costituiscono parte portante del telaio stesso. Il principio sfruttato è sempre quello di aumentare la superficie radiante per favorire la dispersione del calore per irraggiamento e convezione. Quando necessita efficienza estrema e minimo ingombro, si adotta la soluzione definita "ventilazione forzata", come nel caso delle CPU o della strumentazione elettronica.

Particolare attenzione va rivolta all'accoppiamento meccanico tra il dispositivo generante calore e il dissipatore, per ottenere la massima efficienza, viene interposto tra le due superfici a contatto, una pasta termoconduttiva, avente funzione di eliminare completamente il velo di aria inevitabilmente presente, essendo la stessa un pessimo conduttore termico, ne limiterebbe l'efficienza. Dissipatori attivi

Dispongono di un corpo dissipante alettato in alluminio o rame, attraverso il quale viene fatto passare un flusso d'aria generato da una ventola, che ne asporta il calore trasferendolo lontano dal componente. È il sistema di raffreddamento di minore ingombro e più economico, e può essere più o meno rumoroso a seconda dell'efficienza del corpo dissipante, della velocità di rotazione della ventola e dalla qualità dei cuscinetti adottati.

Nel marzo del 2008, due scienziati statunitensi hanno realizzato un dissipatore per CPU in grado di creare una corrente d'aria senza l'uso di parti meccaniche in

movimento, sfruttando il principio fisico dell' effetto corona. Il risultato è un sistema di ventilazione virtualmente privo di emissioni acustiche e in grado di consumare solo una frazione dell'energia richiesta dai comuni dissipatori attivi. Dissipatori passivi

Costituiti da lamelle in rame o alluminio molto ravvicinate, tenute insieme da una struttura portante, anch'essa in rame e/o alluminio. Le lamelle possone essere realizzate con procedimenti diversi: pressofusione dell'alluminio, ribattutura o saldatura delle stesse ad un blocco portante, o ricavate per fresatura dal pieno (il più costoso). Il calore viene dissipato grazie alla conduttività termica del metallo utilizzato ed alle correnti convettive che si generano, per effetto della differenza di temperatura, nell'aria intorno al dissipatore. Per questo è molto importante che il dissipatore venga posizionato nel verso giusto: ovvero bisogna fare in modo l'aria abbia la possibilità di scorrere in verticale lungo le superfici del dissipatore, perciò le alette del dissipatore devono essere orientate in verticale e mai in orizzontale.

Inoltre una parte di calore viene ceduta all'ambiente circostante attraverso il fenomeno dell'irradiazione. Qualsiasi corpo che si trovi a temperatura superiore a zero kelvin emette energia sotto forma di radiazione elettromagnetica, riducendo di conseguenza la sua temperatura. In condizioni di equilibrio ciasun corpo emette la stessa quantità di energia che riceve dagli oggetti circostanti (fra cui sono comprese, ad esempio, le pareti della stanza in cui questo si trova). Nel caso del dissipatore, per il fatto che questo si trova a temperatura superiore rispetto agli oggetti circostanti, e per una serie di altri effetti fisici (fra cui il fatto che il dissipatore sia in metallo e sia di colore nero) l'energia emessa è maggiore di quella ricevuta. Il contributo dell'irradiazione alla dissipazione è predominante alle basse temperature e si può dire che sia praticamente l'unico mezzo di dissipazione di calore per i componenti elettronici comuni. Per i dissipatori in genere ha luogo un mix di scambio convettivo e irradiazione che viene raggruppato sotto la definizione di adduzione, a cui si riferiscono i coefficienti che solitamente si trovano in giro.

Questo sistema di raffreddamento, a parità di prestazioni è più ingombrante di un analogo sistema a ventilazione forzata, però ha il pregio di essere completamente silenzioso. Dissipatori ad acqua

Questi dissipatori sono dei veri e propri piccoli impianti di raffreddamento, dove l'acqua, fatta circolare da una pompa, passa attraverso ilwaterblock, un dispositivo che ha lo scopo di assorbire il calore dal componente da raffreddare e trasferirlo all'acqua in circolo, la quale fluendo attraverso un radiatore attraversato da un flusso d'aria generato da una o più ventole, il calore dell'acqua viene disperso nell'ambiente.

Questo sistema di raffreddamento è il più efficace ma anche il più costoso, inoltre bisogna effettuare manutenzione periodicamente cambiando l'acqua e pulendone i componenti. Esistono varie aziende italiane nella produzione del watercooling.

ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE MATERIA: TDP · proibita è definita banda proibita, o energia di gap,...

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