Polarizzazione Diretta (1) - INFN...1 Polarizzazione Diretta (2) •I portatori maggioritari di ogni...

Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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Polarizzazione Diretta (1)

Con la polarizzazione diretta della giunzione, la barriera di potenziale si riduce aumenta la mobilità dei portatori maggioritari e si riduce quella dei portatori minoritari

E


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Polarizzazione Diretta (2)•I portatori maggioritari di ogni zona sono sospinti verso la giunzione, sia dal lato n che dal lato p.

•Appena oltrepassano la giunzione divengono portatori minoritari nella nuova zona e si ricombinano con i portatori maggioritari.

•La zona di svuotamento si restringe (o si annulla)

facilitando il passaggio delle cariche.

•La corrente totale è data dalla somma delle due correnti di lacune ed elettroni.

•I = I0(eV/VT – 1) ; VT=T/11600 ; V =25 mV ;


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Polarizzazione inversa (1)

Con la polarizzazione inversa della giunzione, la barriera di potenziale aumenta diminuisce la mobilità dei portatori maggioritari e aumenta quella dei portatori minoritari

E


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Polarizzazione inversa (2)•I portatori minoritari di ogni zona sono sospinti verso la giunzione, sia dal lato n che dal lato p.

•Appena oltrepassano la giunzione divengono portatori maggioritari nella nuova zona.

•La zona di svuotamento si amplia rendendo più difficile il passaggio delle cariche.

•La corrente totale è data dalla somma delle due correnti di lacune ed elettroni ed è molto bassa.

•I = I0 ; I0 = costante = 1 µA ;


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Polarizzazione diretta ed inversa

Polarizzazione inversa: regione di svuotamento si allarga.Polarizzazione diretta: regione di svuotamento si restringe.


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Concentrazione di portatoriPolarizzazione Diretta Polarizzazione Inversa


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Giunzione p-n (4)

V1 V2

V3

V1 + V2 + V3 = 0

•Contatti Ohmici: sono i contatti tra metallo e semiconduttore di tipo n o tipo p, che hanno un potenziale di contatto indipendente dalla corrente.

•Giunzione in corto circuito: se uniamo gli estremi di una giunzione p-n attraverso un conduttore, si osserva che nessuna corrente passa attraverso il conduttore. (conservazione energia) la differenza di potenziale alla giunzione è compensata dai contatti ohmici metallo-semiconduttore.


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Giunzione p-n (5)

•Se la differenza di potenziale V attorno alla giunzione supera la V0 la corrente aumenta velocemente.

•Il limite a questa corrente è dato dalla resistenza metallo-semiconduttore dei contatti ohmici.


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La giunzione p-n come un Diodo

•Definizione di diodo ideale:

Lascia passare la corrente solo in un verso

c’è una sola polarizzazione (diretta) che fa passare corrente;

la resistenza per la polarizzazione inversa è infinita;


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Relazioni I-V (1)•Dato un elemento circuitale, se si applica una tensione ai capi e si misura la corrente che fluisce attraverso l’elemento, il grafico I-V si chiama caratteristica I-V dell’elemento, e si scrive: I=I(V).

•Il rapporto R = V/I = resistenza dell’elemento. R quindi è una funzione.

•Legge di Ohm: R= costante.


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Relazioni I-V (2)

a) Dispositivo Ohmico

b) Dispositivo non Ohmico

∆V∆I

= R


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Caratteristica I-V ideale e reale

Ideale

RealeI = I0

I = I0(eV/VT – 1)


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Tensione di soglia

0,2 V 0,6 V

Tensione al di sopra della quale il diodo si considera polarizzato direttamente.


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Modello lineare del diodo

• Se V < Vsoglia circuito aperto, non passa corrente r = infinita

• Se V > Vsoglia il diodo è un elemento resistivo ohmico rf =dV/dI

rf = dV/dI

R=V/I = rf

I

V

Per il Silicio rf = 5.5 Ω


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Modello equivalente di diodo

b) Modello per polarizzazione diretta.

c) Modello per polarizzazione inversa.


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Diodi Zener (1)•Quando la polarizzazione inversa del diodo aumenta si giunge alla tensione di breakdown

ci sono correnti molto grandi che fluiscono attraverso il diodo praticamente a tensione costante.

•Ci sono due effetti che causano le correnti:

a) rottura dei legami degli elettroni di valenza dovuta al campo elettrico;

b) moltiplicazione a valanga, con rottura dovuta agli urti degli elettroni in moto con quelli di valenza.


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Diodi Zener (2)


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Diodi Zener (3)•Un diodo può funzionare nella regione di breakdown senza distruggersi (diodo Zener) dissipa la potenza generata (anche 50 W)

•Si possono costruire diodi opportunamente tarati per avere soglie di breakdown da qualche Volt a qualche centinaio di Volt.

•Si possono usare per realizzare dei regolatori di tensione, ossia con tensioni praticamente costanti, anche se le correnti variano molto.


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Diodo Zener (4)VKA = 5.6 V Iz = 500 mARz = 0.01 Ω E = 20 V

Legge delle maglie: E – Iz R – VKA = 0 R = (E – VKA)/I = 28.8 Ω

Se ∆E = 10% E1 = 22 V che succede?

E1–Vz – I(R+Rz) I = (E1–Vz)/(R+Rz) = 0.569 mA

V1KA = Vz + Rz I = 5.606 V ∆V = 0.1 %


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Elementi circuitali

• Batteria: generatori di forza elettromotrice(differenza di potenziale) + -

• Resistenza • Filo di resistenza trascurabile • Condensatori • Diodi • Transistor

o


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Leggi dei circuiti (1)

• Definizione: si dice nodo un punto in cui confluiscono tre o più conduttori.

• Definizione: si dice maglia un percorso chiuso fatto seguendo i conduttori


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Leggi dei circuiti (2)•Prima legge di Kirchhoff (dei nodi):

In ogni nodo la somma delle correnti entranti deve essere uguale a quella delle correnti uscenti (conservazione della carica)

•Seconda legge di Kirchhoff (delle maglie):

La somma delle variazioni di potenziale lungo un cammino chiuso (maglia) di un circuito deve essere zero (conservazione dell’energia)


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Simulazione di un circuito

• Esistono numerosi software di simulazione del comportamento di circuiti elettrici.

• Si basano sulla modellazione dei singoli elementi circuitali e sulla applicazione delle equazioni differenziali risolutive delle maglie e dei nodi.


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Il Simulatore SIMetrix

Simulatore basato su:

SPICE (risoluzione equazioni circuitali)XSPICE (interfaccia grafica)

+ vari moduli originali comprendenti:

-Librerie di componenti;-Analisi di rumore;-Varie modalità di analisi;


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Circuito RC senza alimentatoreC2-P

IC=3C215n

15kR1

Simulatore SIMetrix


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Circuito RC con alimentatoreC2-P

IC=3C23.5n

15kR1

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V1

C2-P


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Transitorio per una giunzione p-n


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Esempio (1)


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Esempio (2)

• v1 = v2 = 0

la ∆V ai capi dei diodi è 0i diodi sono polarizzati inversamente (∆V<Vsoglia)

v0 = 0


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Esempio (3)• v1 = V; v2 = 0 supponiamo che D1 sia attivo (passa corrente) e

D2 inattivo usando la legge delle maglie:

- V + IRs + Vsoglia + IRf + IR = 0I = (V – Vsoglia ) / (Rs + Rf + R )

v0 = IR se R >> Rs + Rf

v0 = (V- Vsoglia ) = V (se V>> Vsoglia )


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Esempio (4)• v1 = V; v2 = V supponiamo che D1 e D2 siano attivi (passa

corrente) usando la legge delle maglie e la equipartizione della corrente I nei due diodi:

- V + (IRs)/2 + Vsoglia + (IRf)/2 + IR = 0I =(V – Vsoglia ) / [(Rs + Rf)/2 + R ]

v0 = IR se R >> Rs + Rf

v0 = (V- Vsoglia ) = V (se V>> Vsoglia )


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Come usare SIMetrix


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Simulazione dell’esempio:

V2

50kR3

Vout

D1

D1N4148

D2

D1N4148

V1

V1

V2

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