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Cenni sui semiconduttori. Diodi e loro applicazioni
Cenni sui semiconduttori (SC) 1 Un semiconduttore a bassissima temperatura Si (~ 0 K) ha una struttura cristallina simile a quella “ideale” Si non sono disponibili cariche libere Si Si Si e si comporta come un isolante. A temperatura ambiente (~ 300 K) alcuni legami covalenti sono rotti Si (energia termica fornita al cristallo) Si e la conduzione diventa possibile Si Si (elettroni liberi – cerchietti rossi ). La mancanza di un elettrone in un LACUNA legame covalente (cerchietti verdi) è detta lacuna. Una lacuna può fungere da portatore libero di carica. LACUNA ELETTRONE VERSO DESTRA = LACUNA VERSO SINISTRA Si 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 ND= concentrazione di donori ) Si Si P Si Si Si impurezze trivalenti – boro, indio, gallio: nella struttura cristallina manca un elettrone si ha una lacuna drogaggio di tipo p (accettori NA= concentrazione di accettori ) Si B Si Si Semiconduttore Semiconduttore Semiconduttore intrinseco drogato n drogato p La conduzione può avvenire per effetto di spostamento di coppie elettronilacune del materiale puro (minority carrier) dando luogo alla conduzione intrinseca, o a causa del drogante (majority carrier),conduzione estrinseca. Minority carrier(rottura del legame) Si + As + - + -- -- + - -- + + - - + + Majority carrier(dovuto al drogante) + - + ++ + + +- ++ + + + + - - n = p = ni = concentrazione intrinseca di elettroni (lacune) nel silicio puro Legge di azione di massa : np= ni2 Se n oppure p variano per qualche ragione, l’altro fattore di questa relazione varia in direzione opposta in modo da mantenere costante il prodotto. La concentrazione intrinseca dipende dalla temperatura come: ni 2 = Ao T3 e-Eo/kT con T = temperatura assoluta, k = cost Boltzmann (eV/K), Ao = costante, Eo= energia necessaria per rompere un legame covalente silicio a T ~ 300 K : numero di atomi /cm3 ~ 1022 ni ~ 1.5 1010 cm-3 rame ni ~ 1023 cm-3 : numero di atomi /cm3 ~ 1023 IMPORTANTE: nei conduttori la resistività aumenta con la temperatura nei Semiconduttori, invece, diminuisce con la temperatura Conseguenze della diffusione di portatori di carica barretta di silicio drogata in modo non uniforme (GIUNZIONE p-n) + + + + + - - - - - + + + + + - - - - - + + + + + - - - - - drogaggio p drogaggio n alta probabilità di campo E ricombinazione tra + + + + - + - - - - lacune e elettroni in + + + + - + - 2- - - prossimità della + + + + - + - - - - giunzione drogaggio p 1 drogaggio n zona di svuotamento cattura di lacune nella parte n e di elettroni nella parte p diffusione (in un tempo brevissimo) di lacune verso destra e di elettroni verso sinistra (non ci sono cariche libere) La nuova distribuzione di cariche genera un campo elettrico che si oppone alla diffusione corrente totale = 0 a circuito aperto. pp =concentrazione iniziale di lacune nel lato sinistro=NA concentrazione di accettori sul lato p ND= nn = concentrazione di donori sul lato n pn = concentrazione iniziale di lacune nel lato destro = ni2/ND prendendo due punti 1 e 2: Vo=V21 =VT ln (pp/ pn) = VT ln (NAND/ni2) barriera di potenziale sia per gli elettroni dalla parte n che per le lacune dalla parte p. andamento della carica attraverso una giunzione andamento del campo elettrico andamento del potenziale Idiff 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 Iterm Idiff Iterm k = costante di Boltzmann all’equilibrio: Idiff = Iterm = C e -qVo/kT Itot = Idiff - Iterm = 0 Questo discorso vale a circuito aperto e senza alcuna polarizzazione esterna, cioè senza l’applicazione di ddp esterne. Applichiamo una ddp V 1 – polarizzazione diretta: + + + + - + - - - - + + + + - + - - - - + + + + - + - - - - -si abbassa la barriera di potenziale V’ = Vo – V + - - si riduce la zona di svuotamento - Iterm (corrente termica) rimane costante - Idiff (corrente di diffusione) dipende dalla barriera di potenziale Idiff = C e-qVo/kT Idiff = C e–q(Vo-V)/kT Itot=Idiff – Iterm =Ce–q(Vo-V)/kT -Ce-qVo/kT =Ce-qVo/kT (eqV/kT -1)= Io (eqV/kT -1) dove Io = C e -qVo/kT 2 – polarizzazione inversa: + + + + - + - - - - + + + + - + - - - - + + + + - + - - - - - + - allontanamento dei portatori liberi dalla giunzione - si allarga la zona di svuotamento - si alza la barriera di potenziale V’ = |V|+ Vo - Iterm(corrente termica) rimane costante - Idiff dipende dalla barriera di potenziale - Idiff = C e -qVo/kT Idiff = C e Itot = Idiff – Iterm = C e –q(Vo+|V|)/kT –q(Vo+|V|)/kT - I = Io (e Ce qV/kT -1) -qVo/kT = Ce -qVo/kT (C dove Io = C e e –q|V|/kT -1) -qVo/kT è l’equazione 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 = -Io il diodo è un elemento circuitale non lineare, cioè ha un comportamento non ohmico I = Io (e qV/kT -1) = Io (eVD/hVT-1) dove h è un parametro numerico che vale 1÷2 per il Silicio VT = kT/q T/11600 equivalente in Volt della temperatura Io è una costante detta corrente inversa di saturazione ~ 10-14 ÷ 10-15 A per il Silicio per h=1, Io =10-14 A, VT = 25mV per 0 < VD< 0.65 V il diodo è interdetto piccole variazioni di tensione grandi variazioni di corrente VT = kT/q = T/11600 = equivalente in Volt della temperatura con k = 1.381 x 10-23 J/K qV/kT = V/V T per VD >> hVT I = Io e qV/kT I1 = I o e I1/I2 = e hVD1/VT h(VD1-VD2)/VT zona di conduzione I2 = Io e hVD2/VT VD1 –VD2 = VT/h ln I1/I2 25 mV ln (I1/I2) se I1 =10 ∙I2 VD1 –VD2 57 mV piccola caduta di potenziale ai capi del diodo Rf = resistenza associata al diodo in conduzione = V/I ha un valore molto piccolo Per es.: Rf 800 mV/ 790 mA ~ 1 W DIODO IDEALE : polarizz. diretta = corto circuito al contrario se il diodo è interdetto la resistenza associata al diodo (Rr) è elevatissima. DIODO IDEALE : polarizz.inv = interruttore aperto polarizz. inversa Io = 10-14 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. Nella pratica, un diodo reale comincia a condurre quando V >Vg. Un diodo reale è quindi equivalente a un diodo ideale (Vg =0) in serie con un generatore di tensione di valore Vg ed una resistenza Rf Rf Vg I 1/Rf rappresentazione a tratti della caratteristica del diodo V P N polarizzazione diretta + anodo catodo simboli circuitali del diodo metallo semiconduttore hanno di solito un indicatore Schottky dalla parte del catodo. polarizzazione inversa + Zener 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. A CHE SERVONO I DIODI? CIRCUITO RADDRIZZATORE V segnale in ingresso: V(t) = Vo sin(wt) t(ms) con Vo = 5 V, f= w/2p= 60 Hz, R= 100 W, Vg =0.81 V Eq. del circuito: Vosin(wt)=VD +RI Per VD = Vg 0.81 V, I = 0: la prima volta questo accade al tempo t1 tale che sin(w t1) = 0.81/5 V = 0.162 t1 = 0.43 ms Nuovamente I = 0 per t2=7.9 ms se Vg fosse 0 l’intera semionda sarebbe trasmessa CIRCUITO RADDRIZZATORE A DUE SEMIONDE V1 t PONTE DI DIODI Vd D3 R1 Stabilizzatore 1k V1 D4 D1 D2 C1 t RL Vc t Vs t per esempio un diodo ZENER