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Cenni sui semiconduttori (SC) 1. Cenni sui semiconduttori 2 Elementi circuitali lineari: resistori legge di Ohm corrente direttamente proporzionale a.

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1 Cenni sui semiconduttori (SC) 1

2 Cenni sui semiconduttori 2 Elementi circuitali lineari: resistori legge di Ohm corrente direttamente proporzionale a differenza di potenziale applicata nei conduttori la corrente è data dal movimento di elettroni (unipolari). concentrazione di portatori di carica ~ m -3 nei metalli il numero di elettroni è grande ed essenzialmente costante la loro mobilità diminuisce al crescere della temperatura aumenta R I + CONDUTTORE (rame)

3 Cenni sui semiconduttori 3 semiconduttori apparati elettronici : transistors, LED, celle fotovoltaiche ecc. Silicio e Germanio 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

4 Cenni sui semiconduttori 4 Elementi circuitali non lineari : DIODI – TRANSISTOR comportamento non ohmico semiconduttori : Silicio (Si) Germanio (Ge) I + nei semiconduttori si muovono lacune(+) ed elettroni(-) (bipolari). concentrazione intrinseca n i ~ m -3 aumentando la temperatura la resistivita tende a diminuire SEMICONDUTTORE (silicio)

5 Cenni sui semiconduttori 5 = m = m = da a 10 3 m 0,01 da 1 K a 100 M isolante semiconduttore conduttore Resistenza di un filo di lunghezza 3 m e sezione 3 mm 2 Isolanti:Vetro, plastica, polistirolo Semiconduttori: Germanio, silicio, boro Conduttori: Rame, ferro, alluminio l = 3 m s = 3 mm 2

6 Cenni sui semiconduttori 6 Un semiconduttore può essere puro (solo Si e Ge) o drogato (1 parte per milione di drogante) non vengono modificate le proprietà chimiche Si B Semiconduttori tipo N--> drogati con donatori (di elettroni) sono gli elementi pentavalenti : arsenico (As), fosforo (P), antimonio (Sb). Semiconduttori tipo P--> drogati con accettori (di elettroni) sono gli elementi trivalenti : indio (In), gallio (Ga), boro (B). Si puo aumentare la conducibilita di un SC? Si P legge dellazione di massa : n i 2 = np

7 Cenni sui semiconduttori 7 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 Minority carrier (rottura del legame) Majority carrier(dovuto al drogante) Si As

8 Cenni sui semiconduttori 8 Confronto fra un SC intrinseco e un SC estrinseco (drogato) barretta di silicio - lunghezza 3 mm sezione trasversale = 50 x 100 m 2 corrente I = 1 A a T= 300 K calcolare la caduta di potenziale ai capi della barretta: (a 300 K) = cm per il Si intrinseco V = R I = ( L/A) I = (2.3·10 5 · · 3 · / (50 · · 100 · )) · = 1380 V Si drogato n – concentrazione di donatori (a 300 K) = 5 · cm -3 (= 1 atomo di impurezza ogni 10 8 atomi di Si) n = N D = 5 · cm -3 p = (1.45 · ) 2 / 5 · = 4.2 · 10 5 cm -3 trascurabile conducibilita = = q n n = 1.6 · ·5 ·10 14 ·1500 = 0.12 ( ·cm) -1 dove n e la mobilita degli elettroni (= v/E = m 2 /(V · s)) ~ 1500 cm 2 /(V · s) nel Si a 300 K V = (1/ L/A) I = /0.12 · (3 · / (50 · · 100 · )) · = 0.05 V

9 Cenni sui semiconduttori 9 I componenti usati in elettronica si possono suddividere in - componenti passivi lineari: resistenze, induttanze, condensatori - componenti passivi non lineari: diodi; - componenti attivi: transistor bipolari, JFET, MOSFET.

10 Cenni sui semiconduttori 10 Un circuito può utilizzare componenti singoli, opportunamente collegati su apposita basetta (realizzazione con componenti discreti) o componenti integrati in un unico chip. Un chip può essere del tipo Short Scale Integration (SSI),(< 10 2 ) Medium Scale Integration (MSI),(10 2 – 10 3 ) Large Scale Integration (LSI),(10 3 – 10 4 ) Very Large Scale Integration(VLSI),(10 4 – 10 9 ) Ultra Large Scale Integration(ULSI),(>10 9 ) oppure realizzato con soluzioni ibride (componenti discreti e integrati montati sulla stessa scheda). Il sistema dovrà ovviamente essere fornito di energia elettrica, o mediante pile o per mezzo di un alimentatore.

11 Cenni sui semiconduttori 11 GRUPPO III GRUPPO IV GRUPPO V


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