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Cenni sui semiconduttori (SC) 1. Un semiconduttore a bassissima temperatura (~ 0 K) ha una struttura cristallina simile a quella ideale non sono disponibili.

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1 Cenni sui semiconduttori (SC) 1

2 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 LACUNA ELETTRONE VERSO DESTRA = LACUNA VERSO SINISTRA

3 Introducendo delle impurezze nel cristallo di semiconduttore si possono alterare le 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 liberi drogaggio di tipo n (donori N D = concentrazione di donori ) impurezze trivalenti – boro, indio, gallio: nella struttura cristallina manca un elettrone si ha una lacuna drogaggio di tipo p (accettori N A = concentrazione di accettori ) Si P B

4 Semiconduttore intrinseco Semiconduttore drogato p Semiconduttore drogato n

5 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)

6 n = p = n i = concentrazione intrinseca di elettroni (lacune) nel silicio puro Legge di azione di massa : np= n i 2 Se n oppure p variano per qualche ragione, laltro fattore di questa relazione varia in direzione opposta in modo da mantenere costante il prodotto. La concentrazione intrinseca dipende dalla temperatura come: n i 2 = A o T 3 e -Eo/kT con T = temperatura assoluta, k = cost Boltzmann (eV/K), Ao = costante, E o = energia necessaria per rompere un legame covalente silicio a T ~ 300 K : numero di atomi /cm 3 ~ n i ~ cm -3 rame : numero di atomi /cm 3 ~ n i ~ cm -3 IMPORTANTE: nei conduttori la resistività aumenta con la temperatura nei Semiconduttori, invece, diminuisce con la temperatura

7 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. p p = concentrazione iniziale di lacune nel lato sinistro =N A concentrazione di accettori sul lato p N D = n n = concentrazione di donori sul lato n p n = concentrazione iniziale di lacune nel lato destro = n i 2 /N D 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 V o =V 21 =V T ln (p p / p n ) = V T ln (N A N D /n i 2 ) barriera di potenziale sia per gli elettroni dalla parte n che per le lacune dalla parte p.

8 andamento della carica attraverso una giunzione andamento del campo elettrico andamento del potenziale

9 allequilibrio: I diff = I term = C e -qVo kT I tot = I diff - I term = 0 I diff I term I diff 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 I term k = costante di Boltzmann

10 Questo discorso vale a circuito aperto e senza alcuna polarizzazione esterna, cioè senza lapplicazione di ddp esterne. Applichiamo una ddp V 1 – polarizzazione diretta: -si abbassa la barriera di potenziale V = V o – V - si riduce la zona di svuotamento - I term (corrente termica) rimane costante - I diff (corrente di diffusione) dipende dalla barriera di potenziale I diff = C e -qVo/kT I diff = C e –q(Vo-V)/kT I tot =I diff – I term =Ce –q(Vo-V)/kT -Ce -qVo/kT =Ce -qVo/kT (e qV/kT -1)= I o (e qV/kT -1) dove I o = C e -qVo/kT

11 2 – polarizzazione inversa: - allontanamento dei portatori liberi dalla giunzione - si allarga la zona di svuotamento - si alza la barriera di potenziale V = |V|+ V o - I term (corrente termica) rimane costante - I diff dipende dalla barriera di potenziale - I diff = C e -qVo kT I diff = C e –q(Vo+|V|) kT I tot = I diff – I term = C e –q(Vo+|V|) kT - C e -qVo kT = C e -qVo kT ( C e –q|V| kT -1) I = I o ( e qV kT -1) dove I o = C e -qVo kT è lequazione 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 = -I o

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13 il diodo è un elemento circuitale non lineare, cioè ha un comportamento non ohmico I = I o (e qV kT -1) = I o (e VD/ VT -1) dove è un parametro numerico che vale 1÷2 per il Silicio V T = kT/q T/11600 equivalente in Volt della temperatura I o è una costante detta corrente inversa di saturazione ~ ÷ A per il Silicio per =1, I o = A, V T = 25mV per 0 < V D < 0.65 V il diodo è interdetto piccole variazioni di tensione grandi variazioni di corrente V T = kT/q = T/11600 = equivalente in Volt della temperatura con k = x J/K qV kT = V/V T

14 per V D >> V T I = I o e qV kT zona di conduzione I 1 = I o e VD1/VT I 2 = I o e VD2/VT I 1 /I 2 = e (VD1-VD2)/VT V D1 –V D2 = V T / ln I 1 /I 2 25 mV ln (I 1 /I 2 ) se I 1 =10 I 2 V D1 –V D2 57 mV piccola caduta di potenziale ai capi del diodo R f = resistenza associata al diodo in conduzione = V/I ha un valore molto piccolo Per es.: R f 800 mV/ 790 mA ~ 1 al contrario se il diodo è interdetto la resistenza associata al diodo (R r ) è elevatissima. DIODO IDEALE : polarizz. diretta = corto circuito DIODO IDEALE : polarizz.inv = interruttore aperto

15 polarizz. inversa I o = 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.

16 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 R f RfRf V 1/R f I V rappresentazione a tratti della caratteristica del diodo

17 NP metallosemiconduttore anodocatodo polarizzazione diretta + polarizzazione inversa + SchottkyZener 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.

18 A CHE SERVONO I DIODI? CIRCUITO RADDRIZZATORE segnale in ingresso: V(t) = V o sin( t) con V o = 5 V, f= /2 = 60 Hz, R= 100, V =0.81 V Eq. del circuito: V o sin( t)=V D +RI Per V D = V 0.81 V, I = 0: la prima volta questo accade al tempo t 1 tale che sin( t 1 ) = 0.81/5 V = t 1 = 0.43 ms Nuovamente I = 0 per t 2 =7.9 ms se V fosse 0 lintera semionda sarebbe trasmessa t(ms) V

19 V1V1 t VdVd t VsVs t VcVc t PONTE DI DIODI per esempio un diodo ZENER RLRL C1C1 R1R1 1k V1V1 Stabilizzatore D3D3 D4D4 D2D2 D1D1 CIRCUITO RADDRIZZATORE A DUE SEMIONDE


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