COMPONENTI ELETTRONICI DIODI TRANSISTOR TRANSISTOR di potenza.

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1 COMPONENTI ELETTRONICI DIODI TRANSISTOR TRANSISTOR di potenza

2 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.

3 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 dellaccettore drogaggio tipo p con un atomo trivalente (Al): laccettore introduce un livello energetico E a molto popolato poco sopra la cima della banda di valenza E v accettore

4 conducibilità elettrica in un semiconduttore drogato n n EFEF livello del donatore la conducibilità è dovuta praticamente solo alla densità n d dei donatori (portatori di maggioranza) con un drogaggio di tipo n - gli elettroni introdotti dal donatore hanno altissima probabilità di passare alla banda di conduzione, per cui la densità numerica n degli elettroni nella banda di conduzione cresce moltissimo e diventa praticamente eguale a n d - per la legge dellazione di massa -, i portatori della banda di valenza si riducono in modo inversamente proporzionale: n d p = n i 2 drogaggio debole: N atomi donatori 10 -8 N atomi semicond Tipici drogaggi drogaggio forte: N atomi donatori 10 -6 N atomi semicond

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6 DIODO (polarizzazione) 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 lanodo del diodo è connesso al polo positivo dellalimentazione. Si parla in questo caso di polarizzazione diretta del diodo, in quanto il diodo permette la circolazione della corrente (valore dellordine 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.

7 DIODO 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 (nellordine 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 unelevata 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.

8 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).

9 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 leffetto di moltiplicazione degli elettroni, con conseguente fusione del diodo stesso; - Id corrente diretta: corrente che si stabilisce in polarizzazione diretta. Valori sullordine 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 questultimo 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.

10 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 allinterno di un circuito: -diodo ideale -diodo come batteria -diodo come serie di una batteria ed una resistenza Nel primo 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 linterruttore in stato aperto, con conseguente annullamento della corrente circolante nel circuito.

11 DIODO (elemento circuitale) Sostituendo al diodo in un circuito una batteria di f.e.m., la conduzione avviene solo quando la tensione applicata ai capi del diodo supera la tensione di soglia. In questo caso sul carico però non si stabilirà tutta la tensione in ingresso al circuito, ma un valore più basso dato dalla differenza tra Vi e la Vs. La caratteristica assume landamento di figura. Nellultimo caso invece il diodo viene sostituito dalla serie di una batteria di f.e.m. ed una resistenza. La f.e.m. sarà di valore uguale alla tensione di soglia, mentre la resistenza viene detta differenziale r d rappresenta, in modo lineare, landamento della caratteristica reale quando il diodo è polarizzato direttamente. V I Vs V I rdrd

12 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

13 IL DIODO LED Un diodo LED (Light Emitting Diode) è un particolare diodo che emette radiazioni luminose quando è attraversato da corrente. Il simbolo elettrico è il seguente ANODO CATODO La lunghezza donda della radiazione emessa dipende dal materiale con il quale il diodo LED viene realizzato. I diodi LED vengono impiegati quali elementi di segnalazione visiva. Se vengono assemblati in opportune configurazioni geometriche consentono di realizzare sistemi di visualizzazione più sofisticati (display a sette segmenti, a matrice)

14 DIODO led Leffetto 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 lenergia si trasforma sottoforma di calore). La frequenza della radiazione dipende dal materiale utilizzato nella giunzione P-N, al fine di ottenere diversi colori.

15 Lefficienza della radiazione luminosa dipende dalla corrente che attraversa il LED, dallarea, 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: lAnodo è quello piu lungo, laltro è il Catodo; nelle vicinanze di questultimo è riportata una tacca, zona appiattita, altro riferimento.

16 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, variabile a secondo la caratteristica considerata, 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.

17 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 Per spiegare il funzionamento del transistor occorre prima fare qualche precisazione. In particolare è necessario che lo 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. 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.

18 IL 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.

19 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

20 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.

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

22 IL BJT COME INTERRUTTORE Il modello più semplice per rappresentare il comportamento di un transistor nelle zone di interdizione e saturazione consiste nel considerare Il BJT in interdizione equivalente ad un interruttore aperto (circuito aperto) Il BJT in saturazione equivalente ad un interruttore chiuso (corto circuito)

23 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

24 IL BJT COME INTERRUTTORE

25 schema della polarizzazione MODO GIUNZIONEGIUNZIONE BC BE Interdizione Inversa Inversa (non cè passaggio di Corrente) Zona Attiva Diretta diretta inversa Saturazione diretta diretta Analizziamo la zona attiva: Nella zona attiva il transistor è polarizzato in modo che la giunzione BE è diretta la giunzione BC è inversa. Si avrà una forte corrente da C verso E e una debole corrente da B verso E. Analizziamo la zona di saturazione: Nella zona di saturazione si ha la polarizzazione BE e BC dirette. La corrente Ic varia molto rapidamente al variare di Vce e questultima varia tra 0.1V0÷2V. Analizziamo la zona di interdizione: Nella zona di interdizione non vi è corrente di uscita e ciò avviene quando Ib=0. Le relazioni che legano fra di loro le correnti del transistor sono: Ic=*Ie Ie=Ib/1- Ib=(1-)*Ie Ic>Ie coefficiente di amplificazione Ic<Ie coefficiente di attenuazione Inoltre queste relazioni possono essere scritte in funzione di β=Ic/Ib=/1-, in saturazione Ic< β*Ib. Corrente di uscita: Vcc=Rc*Ic+Vce Ic=Vcc-Vce/Rc Corrente di ingresso: Vbb=Rb*Ib+Vbe Ib=Vbb-Vbe/Rb

26 IL BJT COME AMPLIFICATORE In regione attiva il BJT può funzionare come amplificatore di segnale Si definisce amplificazione di tensione il rapporto fra la tensione di uscita Vout e la tensione di ingresso Vin del dispositivo Si definisce amplificazione di corrente il rapporto fra la corrente di uscita Iout e la corrente di ingresso Iin del dispositivo Si definisce amplificazione di potenza il rapporto fra la potenza di uscita Pout e la potenza di ingresso Pin del dispositivo

27 POLARIZZAZIONE Per poter funzionare il transistor deve venir polarizzato in maniera univoca. Più precisamente dovremmo polarizzare direttamente la giunzione Base-Emettitore ed inversamente la giunzione Base-Collettore. E' altresì necessario che la giunzione Base-Collettore sia polarizzata ad un livello di tensione molto più elevato (almeno 3..4 volte) di quella Base-Emettitore. Analizziamo ora il comportamento del transistor in queste condizioni. Dal momento che la giunzione B-E è polarizzata direttamente avremo che un notevole flusso di cariche cercherà di ricongiungersi in base, partendo dall'emettitore che, fortemente drogato, può fornirne in discreto numero. Dal momento che, però, lo spessore della base è inferiore alla distanza media di percorrenza delle cariche, molte di queste cariche tenderanno a 'saltare' letteralmente la base per ricongiungersi direttamente nel collettore, polarizzato oltretutto ad un livello maggiore della base e, dunque, in grado di attirarle con maggior efficacia. In termini pratici otteniamo che solo una piccola percentuale delle cariche 'espulse' dall' Emettitore riusciranno a ricombinarsi in base, mentre la maggior parte di esse lo farà nel collettore. 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. Già, perchè la forza del transistor 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. Polarizzazione tipica di un transistor NPN. Nel caso di PNP la freccia interna dell'emettitore è rivolta verso l'interno e l'alimentazione ha i poli invertiti. Polarizzazione tipica di un transistor NPN. Nel caso di PNP la freccia interna dell'emettitore è rivolta verso l'interno e l'alimentazione ha i poli invertiti.

28 TRANSISTOR di potenza La costituzione di un transistor si basa sui semiconduttori di tipo p ed n, ma a differenza del diodo gli strati presenti sono tre. Di lato sono riprodotti sia la costituzione interna (struttura utilizzata didatticamente) sia il simbolo dl transistor. Si può osservare la presenza di tre morsetti, collegati ad altrettanti strati di semiconduttore. Il morsetto indicato con la lettera C, viene detto di collettore, mentre B sta per base ed infine la E indica il morsetto emettitore. 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.

29 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

30 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 dellordine dei A, mentre la Ic avrà valori dellordine di mA. Ciò vuol dire unamplificazione di corrente da parte del transistor di valore compreso tra i 100 i 1000. Dalle curve caratteristiche si può comprendere quanto detto in precedenza, dove si è paragonato il transistor ad una valvola, infatti allaumentare della Ib conseguentemente si registra anche un aumento della Ic. 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.

31 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.