Semiconduttori I principali componenti elettronici si basano su semiconduttori (silicio o germanio) che hanno subito il trattamento del drogaggio. In tal.

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1 Semiconduttori I principali componenti elettronici si basano su semiconduttori (silicio o germanio) che hanno subito il trattamento del drogaggio. In tal caso si parla di semiconduttori di tipo p, dove sono presenti in maggioranza cariche positive, esattamente lacune. Si parla invece di semiconduttori di tipo n, quando il drogaggio determina la creazione di semiconduttori con maggioranza di cariche negative. Dal numero di materiali semiconduttori usati si ottengono diversi tipi di componenti elettronici. Diodo: costituito da due materiali semiconduttori, uno di tipo n e uno di tipo p. Transistor: presenza di tre semiconduttori, disposti nel seguente ordine npn o pnp. SCR: quattro semiconduttori presenti nel dispositivo.

2 “drogaggio” drogaggio tipo “n” con un atomo pentavalente (fosforo): il donatore introduce un livello energetico E d molto popolato poco sotto il fondo della banda di conduzione E c livello del donatore donatore livello dell’accettore drogaggio tipo “p” con un atomo trivalente (Al): l’accettore introduce un livello energetico E a molto popolato poco sopra la cima della banda di valenza E v accettore

3 Si crea una barriera di potenziale in corrispondenza della giunzione di circa 0,7 V che blocca il flusso si portatori

4 DIODO (polarizzazione diretta) Il diodo, il cui simbolo elettrico è rappresentato in basso, per la sua costituzione fisica, fornisce la possibilità di lasciar passare la corrente elettrica solo in una direzione. Si consideri infatti il circuito in figura, dove l’anodo del diodo è connesso al polo positivo dell’alimentazione. Si parla in questo caso di polarizzazione diretta del diodo, in quanto il diodo permette la circolazione della corrente (valore dell’ordine dei mA) nel verso indicato dal simbolo elettrico del diodo. La conduzione del diodo avviene però normalmente dopo aver superato il valore di tensione detta di soglia Vs. Per valori di tensione applicata al diodo maggiore di Vs, il diodo entra in conduzione e la corrente cresce rapidamente (andamento esponenziale). La tensione Vs dipende essenzialmente dal tipo di semiconduttore che costituisce il diodo.

5 DIODO ( polarizzazione inversa) Se nel circuito precedente si inverte la tensione di alimentazione o il diodo, si ottiene il circuito di polarizzazione inversa, con conseguente passaggio di una corrente di valore molto piccola (nell’ordine dei  A), detta corrente di saturazione inversa I o. Nella polarizzazione inversa assume notevole importanza la Vbr (tensione di breakdown), infatti per valori di tensione maggiori in valore assoluto della Vbr, il diodo si trova a lavorare con una tensione in grado di rompere i legami dei suoi atomi. In questa situazione si genera un numero elevato di elettroni (effetto a valanga) con generazione di un’elevata corrente che porta alla distruzione del diodo stesso. Il diodo in grado di sostenere valori di tensioni pari alla Vbr è il diodo Zener, utilizzato come stabilizzatore di tensione.

6 DIODO ( caratteristica reale ) I parametri di un diodo variano a secondo il modello ed è dipendente dalle case costruttrici. I dati vengono raccolti in quelli che si definiscono data sheet (foglio di dati).

7 DIODO (caratteristica reale) Quelli che maggiormente ci interessano sono i seguenti: - Vs tensione di soglia: valore di tensione diretta minimo per portare il diodo in conduzione; - Vbr tensione di rottura o (breakdown): tensione per la quale si ha l’effetto di moltiplicazione degli elettroni, con conseguente fusione del diodo stesso; - Id corrente diretta: corrente che si stabilisce in polarizzazione diretta. Valori sull’ordine di mA. - Io corrente di saturazione inversa: corrente di valore bassissimo (ordine di  A) che si stabilisce in polarizzazione inversa - Vmi tensione inversa massima: si stabilisce ai capi del diodo, quando quest’ultimo si trova in stato di polarizzazione inversa -Tj: temperatura della giunzione pn, che modifica la caratteristica reale del diodo - Pmax: potenza massima dissipabile da parte dl diodo.

8 DIODO (elemento circuitale) Per poter risolvere un circuito elettrico in cui è presente un diodo, bisogna sostituire al diodo stesso dei componenti elettrici che simulino il comportamento. Solitamente sono tre le possibili configurazioni da poter sostituire al diodo all’interno di un circuito: Vediamo solo il caso ideale -diodo ideale come interruttore Nel caso diodo ideale il funzionamento del diodo è simulato da un interruttore. Infatti si trova nello stato chiuso quando il diodo è polarizzato direttamente. In tal caso la caduta di tensione sul diodo è praticamente nulla. Al contrario quando il diodo è contropolarizzato si considera l’interruttore in stato aperto, con conseguente annullamento della corrente circolante nel circuito.

9 Un diodo, quindi, è un conduttore unidirezionale (da p a n). La sua funzione è quella di tagliare la corrente in verso opposto (raddrizzare). simbolo circuitale del diodo Applicazioni particolari: Fotodiodo; LED (Light Emitting Diode); Laser a semiconduttore

10 DIODO Alla luce di quanto esposto in precedenza si può definire un diodo come un elemento circuitale comandato dalla tensione. Infatti quando la tensione applicata al diodo supera un determinato valore, tensione di soglia, si permette la circolazione della corrente nel circuito e di conseguenza si ottiene una d.d.p. ai capi del carico. Si ricorda che la conduzione avviene sempre quando la tensione ai capi del diodo cambia polarità, quindi non si può controllare in nessun modo se non agendo sul segnale in ingresso al circuito.

11 DIODO led L’effetto di elettroluminescenza nella giunzione si ha quando si produce una ricombinazione fra una lacuna e un elettrone, effetto accompagnato da una radiazione elettromagnetica sviluppata dalla energia liberata durante questo fenomeno, (nei semiconduttori comuni questa radiazione non esiste e l’energia si trasforma sottoforma di calore). La frequenza della radiazione dipende dal materiale utilizzato nella giunzione P-N, al fine di ottenere diversi colori.

12 L’efficienza della radiazione luminosa dipende dalla corrente che attraversa il LED, dall’area, dalla geometria della giunzione, dalle dimensioni del contatto elettrico, dalla trasparenza od opacità del substrato. Quello rappresentato in figura è la versione standard, di forma sferica, anche se ve ne sono di forma rettangolare o prismatica; i terminali si possono distinguere: l’Anodo è quello piu’ lungo, l’altro è il Catodo; nelle vicinanze di quest’ultimo è riportata una tacca, zona appiattita, altro riferimento.

13 IL TRANSISTOR Il transistor sfrutta le particolari caratteristiche della giunzione a semiconduttore. Nel transistor, le giunzioni sono due e sono ottenute accostando materiale N ad due P oppure materiale P a due N. Le tipologie di transistor sono dunque due: N-P-N e P-N-P. Il funzionamento delle due tipologie di transistor è pressoché identico, semplicemente nel primo si parla di circolazione di elettroni e nel secondo di lacune. Transistor NPN / Transistor PNP Funzionamento del transistor : spessore del materiale che sta in mezzo agli altri due ( il materiale P nel caso dell'NPN e N nel caso del PNP ) abbia particolari caratteristiche. Più precisamente il suo spessore deve essere minore della distanza media di diffusione delle cariche presenti nel semiconduttore, ovvero quella distanza media entro la quale una carica libera si ricombinerà con una di carica opposta. Per semplificare di molto potremmo concepire questa distanza come lo spostamento MINIMO che una carica in movimento nel semiconduttore DEVE ESEGUIRE ogni volta che si sposta senza ricombinarsi. Il materiale posto al centro della giunzione prende il nome di BASE. Uno degli altri due materiali agli estremi verrà drogato in maniera molto più massiccia dell'altro e prenderà il nome di EMITTORE. Il restante materiale prenderà il nome di COLLETTORE. L'emettitore, molto drogato, dispone dunque di parecchi portatori in eccesso che potranno spostarsi nel materiale ed attraverso le giunzioni.

14 TRANSISTOR / BJT EMETTITORE BASE COLLETTORE Nel dispositivo sono presenti due giunzioni base-emettitore base collettore. La regione di base è molto sottile e molto meno drogata rispetto alle regioni di emettitore e di collettore.

15 IL TRANSISTOR BJT Un transistor bipolare è costituito da tre regioni adiacenti di materiale semiconduttore drogate alternativamente n e p. La regione centrale si chiama base, le altre due emettitore e collettore. Possiamo avere due tipi di transistor bipolari: npn e pnp. Il simbolo elettrico è il seguente

16 ZONE DI FUNZIONAMENTO DEL BJT La polarizzazione delle due giunzioni presenti nel dispositivo determina la sua zona di funzionamento In particolare Se le due giunzioni sono entrambe polarizzate inversamente il transistor lavora nella zona di interdizione. Se le due giunzioni sono entrambe polarizzate direttamente il transistor lavora nella zona di saturazione. Se la giunzione base-emettitore è polarizzata direttamente e la giunzione base collettore è polarizzata inversamente il transistor lavora in regione attiva o lineare.

17 Le tre correnti in gioco, Ic per il collettore, Ib per la base ed Ie per l'emettitore, sono legate tra loro dall'equazione Ie = Ib + Ic. Combinando i vari casi di polarizzazione dei diodi interni, è possibile ottenere tre diversi stati di funzionamento del Bjt. BJT è l’acronimo diBipolar Junction Transistorossia transistor bipolare a giunzione. Questo dispositivo infatti nasce da due “giunzioni”, BJT è l’acronimo diBipolar Junction Transistorossia transistor bipolare a giunzione. Questo dispositivo infatti nasce da due “giunzioni”, La rete esterna alla quale il transistor viene connesso, viene chiamata rete di polarizzazione: essa va studiata per far giungere le correnti al Bjt nel verso corretto e permetterne quindi il funzionamento desiderato.

18 Nel IN COMMUTAZIONE, il transistor opera in due sole condizioni: 1. SATURAZIONE 2. INTERDIZIONE. Nell’ipotesi di dispositivo IDEALE, il BJT in SATURAZIONE realizza un corto circuito tra il collettore e l’emettitore ed è rappresentabile mediante un INTERRUTTORE CHIUSO (ON). In INTERDIZIONE il BJT appare invece come un circuito interrotto ed è equivalente ad un INTERRUTTORE APERTO (OFF). 1. 2. Il Bjt si dice interdetto quanto entrambi i diodi interni sono polarizzati inversamente oppure le tensioni in gioco non superano la soglia di 0,7v necessaria per la conduzione elettrica. Piccole variazioni della corrente di base in questo caso non hanno effetto. In generale, il transistor NPN è interdetto quanto le tensioni sul Collettore ed Emettitore sono maggiori rispetto alla tensione sulla Base Il Bjt si dice in saturazione quando entrambe le giunzioni sono polarizzate direttamente e sono quindi in conduzione. Piccole variazioni della corrente di base in questo caso non hanno alcun effetto. Perché il Bjt NPN saturi è necessario che la tensione di Base sia superiore a quella del Collettore ed anche a quella dell'Emettitore Modalità ON-OFF resistenza Rb calcolata in modo da mandare totalmente in conduzione il transistor quando la tensione sulla Base raggiunge il valore di 5volt.

19 Regione Attiva un transistor NPN lavora in regione attiva quando la tensione sull'Emettitore è inferiore a quella sulla Base di almeno 0,7v mentre la tensione di Collettore è inferiore a quella della Base ma non abbastanza per attivare la giunzione, quindi attorno gli 0.5v. Si ha quindi una differenza di tensione tra Collettore ed Emettitore di circa 0.2v Per ottenere un'amplificazione priva di distorsioni è necessario dimensionare il circuito in modo che il livello massimo e minimo di corrente sulla base rientrino nella la zona di proporzionalità. Per comodità si può considerare una Ic di lavoro posizionata al centro della retta, in questo esempio circa Ic=13mA. Per ottenere questa polarizzazione è necessario un circuito differente, chiamato ad Emettitore Comune.

20 POLARIZZAZIONE in REGIONE ATTIVA Polarizzazione tipica di un transistor NPN Polarizzare direttamente la giunzione Base-Emettitore ed inversamente la giunzione Base-Collettore. E' necessario che la giunzione Base-Collettore sia polarizzata ad un livello di tensione molto più elevato (almeno 3…4 volte) di quella Base-Emettitore. Il rapporto tra le due correnti (la corrente tra Emettitore collettore e quella tra emettitore e base) prende il nome di guadagno in corrente del transistor o beta. Questo numero si mantiene 'abbastanza' lineare entro una discreta gamma di correnti e indica in ultima analisi il fattore di amplificazione di corrente del transistor. CONSIDERAZIONE la forza è proprio quella di 'amplificare' la corrente di base x beta volte nel collettore. Con una piccola variazione della corrente di base otteniamo dunque una grande variazione di quella di collettore, minimo 100 volte.

21 IL BJT COME AMPLIFICATORE In regione attiva il BJT può funzionare come amplificatore di segnale Si definisce amplificazione di corrente il rapporto fra la corrente di uscita Iout = Ic e la corrente di ingresso Iin=Ib del dispositivo BETA (amplificazione)= Ic/Ib

22 IL BJT COME INTERRUTTORE In molteplici applicazioni il transistor BJT viene utilizzato in commutazione tra la zona di interdizione e quella di saturazione. In questo caso il suo comportamento è quello di un interruttore elettronico, in cui il percorso collettore emettitore del transistor può essere considerato equivalente ad un interruttore il cui funzionamento è controllato dal morsetto di base

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24 Nella condizione di lavoro ad interruttore chiamato anche FUNZIONAMENTO IN COMMUTAZIONE, il transistor opera in due sole condizioni: 1. SATURAZIONE 2. INTERDIZIONE. Nell’ipotesi di dispositivo IDEALE, il BJT in SATURAZIONE realizza un corto circuito tra il collettore e l’emettitore ed è rappresentabile mediante un INTERRUTTORE CHIUSO (ON). In INTERDIZIONE il BJT appare invece come un circuito interrotto ed è equivalente ad un INTERRUTTORE APERTO (OFF). 1. 2. Il Bjt si dice interdetto quanto entrambi i diodi interni sono polarizzati inversamente oppure le tensioni in gioco non superano la soglia di 0,7v necessaria per la conduzione elettrica. Piccole variazioni della corrente di base in questo caso non hanno effetto. In generale, il transistor NPN è interdetto quanto le tensioni sul Collettore ed Emettitore sono maggiori rispetto alla tensione sulla Base Il Bjt si dice in saturazione quando entrambe le giunzioni sono polarizzate direttamente e sono quindi in conduzione. Piccole variazioni della corrente di base in questo caso non hanno alcun effetto. Perché il Bjt NPN saturi è necessario che la tensione di Base sia superiore a quella del Collettore ed anche a quella dell'Emettitore Modalità ON-OFF resistenza Rb calcolata in modo da mandare totalmente in conduzione il transistor quando la tensione sulla Base raggiunge il valore di 5volt.

25 ZONE DI FUNZIONAMENTO DEL BJT Per un dispositivo di tipo npn le definizioni precedenti si traducono nella verifica delle seguenti disequazioni INTERDIZIONEVBE VBE (<0) SATURAZIONEVBE > 0VCE (0V) 0) REGIONE ATTIVAVBE > 0VCE > VBE

26 TRANSISTOR di potenza Il morsetto indicato con la lettera C drogato n, viene detto di collettore, mentre B sta per base drogato p, ed infine la E indica il morsetto emettitore drogato n++. La potenza è definita anche dalla geometria della base (stretta) in relazione ai drogaggi Si analizzerà il comportamento da commutatore di stati o interruttore del transistor, infatti il componente elettronico in esame trova applicazione nei circuiti di regolazione della velocità di motori proprio per la sua elevata rapidità di commutazione.

27 TRANSISTOR di potenza La commutazione tra i due stati di funzionamento (ON-OFF) viene comandata dalla corrente di base I B. Si può paragonare il transistor ad una valvola la cui apertura viene dettata dalla I B. In conseguenza di ciò si ottengono più curve caratteristiche, che vedono in relazione la corrente di collettore Ic con la tensione Vce Nel grafico delle caratteristiche si individuano tre zone: -zona attiva: funzionamento da amplificatore -zona di saturazione: funzionamento da interruttore chiuso -zona di interdizione: funzionamento da interruttore aperto

28 TRANSISTOR di potenza Il funzionamento da amplificatore verrà trattato brevemente, evidenziando la relazione esistente tra la corrente di base Ib e la corrente di collettore Ic, che sarà fornita al carico. Generalmente la Ib presenta valori dell’ordine dei  A, mentre la Ic avrà valori dell’ordine di mA. Ciò vuol dire un’amplificazione di corrente da parte del transistor di valore compreso tra i 100 i 1000 ( h fe = beta). Dalle curve caratteristiche si può comprendere quanto detto in precedenza, infatti all’aumentare della Ib conseguentemente si registra anche un aumento della Ic. I c = ( h fe)* I b Se la Ib si abbassa ad un valor prossimo a zero si registra un diminuzione anche della Ic, tale da non far circolar corrente tra i morsetti di collettore ed emettitore e quindi aprire il transitor stesso. Si è praticamente portato il transistor a lavorare in interdizione, cioè da interruttore aperto.

29 TRANSISTOR di potenza Per portare invece il transistor in zona di saturazione, comportamento da interruttore chiuso, bisogna fornire una tensione al circuito di base tal da rispettare la seguente relazione: dove, oltre già conosciute Ib ed Ic, è presente il valore h fe parametro costruttivo del transistor. Negli stati di funzionamento da interruttore, il transistor ha comunque piccole perdite di potenza. Esistono in commercio transistor che presentano valori di corrente elevate (500A), ma basse tensioni oppure transistor con elevate tensioni di breakdown (3000V) e correnti di qualche decine di ampere.