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 ~ 1029 m-3 nei metalli il numero di elettroni è grande ed essenzialmente costante la loro mobilità diminuisce al crescere della temperatura  aumenta R CONDUTTORE (rame) - I +

ELETTRONE VERSO DESTRA = LACUNA VERSO SINISTRA 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 Si LACUNA ELETTRONE VERSO DESTRA = LACUNA VERSO SINISTRA

+ Elementi circuitali non lineari : DIODI – TRANSISTOR comportamento non ohmico semiconduttori : Silicio (Si) Germanio (Ge) nei semiconduttori si muovono lacune(+) ed elettroni(-) (bipolari). concentrazione intrinseca ni ~ 1016 m-3 aumentando la temperatura la resistivita’ tende a diminuire - I + SEMICONDUTTORE (silicio)

Conduttori: Rame, ferro, alluminio Semiconduttori: Germanio, silicio, boro  = da 10- 3 a 10 3  m Isolanti: Vetro, plastica, polistirolo  = 10+15  m Resistenza di un filo di lunghezza 3 m e sezione 3 mm 2 conduttore l = 3 m s = 3 mm2 0,01  semiconduttore da 1 K a 100 M isolante 1013 

Si puo’ aumentare la conducibilita’ di un SC? Un semiconduttore può essere puro (solo Si e Ge) o drogato (1 parte per milione di drogante) non vengono modificate le proprietà chimiche Si P 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). B Si legge dell’azione di massa : ni 2 = np

- + + - - - - + + + + - + + - + - + + + - 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. Majority carrier(dovuto al drogante) Minority carrier (rottura del legame) Si + - As + - - - - + + + + - + + - + - + + + -

Confronto fra un SC intrinseco e un SC estrinseco (drogato) barretta di silicio - lunghezza 3 mm sezione trasversale = 50 x 100 mm2 corrente I = 1mA a T= 300 K calcolare la caduta di potenziale ai capi della barretta: r (a 300 K) = 2.3 105 W cm per il Si intrinseco V = R I = (r L/A) I = (2.3·105 · 10-2 · 3 · 10-3 / (50 · 10-6 · 100 · 10-6 )) · 10-6 = 1380 V Si drogato n – concentrazione di donatori (a 300 K) = 5 · 1014cm-3 (= 1 atomo di impurezza ogni 108 atomi di Si) n = ND = 5 · 1014cm-3  p = (1.45 · 1010)2/ 5 · 1014 = 4.2 · 105 cm-3 trascurabile conducibilita’ = s = q n mn = 1.6 · 10-19 ·5 ·1014 ·1500 = 0.12 (W ·cm) -1 dove mn e’ la mobilita’ degli elettroni (= v/E = m2/(V · s)) ~ 1500 cm2/(V · s) nel Si a 300 K V = (1/s)(L/A) I = 10-2/0.12 · (3 · 10-3 / (50 · 10-6 · 100 · 10-6 )) · 10-6 = 0.05 V

- componenti passivi lineari: resistenze, induttanze, condensatori 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.

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 1960 - Short Scale Integration (SSI),(< 102) 1966 - Medium Scale Integration (MSI),(102 – 103) 1969 - Large Scale Integration (LSI),(103 – 104) 1975 - Very Large Scale Integration(VLSI),(104 – 109) 1990 - Ultra Large Scale Integration(ULSI),(>109) 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.

GRUPPO III GRUPPO IV GRUPPO V