Appunti di Elettronica generale - Parte V

Appunti Elettronica Generale: Libro

Circuiti per la Microelettronica di Sedra

Smith

Parte V

p_p = N_A

n_p = n_i² / N_A

n_n = N_D

p_n = n_i² / N_D

- x_p      0      x_n

giunzione

• Se m, del estensione delle regioni di svuotamento o della regione di carica spaziale
• Sup. che la concentrazione dei portatori di carica nelle regioni spaziali sia trascur, la quantita di carica totale nella regione p ed n, e in condizioni normali, (Q+ e Q-) dipende dall'estensione della regione di carica spaziale.

Q₊ = A q N_D x_n

Q_- = + A q N_A x_p → x_p = x_n rende negativi Q₊ -> -Q_-

A = area giunzione

La struttura dovendo essere globalmente neutre

=> Q₊ = Q_-

Per poter bilanciare la corrente di diffusione, devo aumentare la corrente di drift, allora deve aumentare il campo elettrico x far cosi devo aumentare sia Q+ che Q-, che a loro volta dipendono da x_n e da x_p. Quindi ne risulta che questa regione di svuotamento w = x_p + x_n aumenta fino a quando la corrente di drift riesce a bilanciare la corrente di diffusione che da dx - dx. Ricordando che tale differenza di carica genera campo elettrico, l'integrale di E risulta essere una differenza di potenziale.

E cost. → V cost.

X_p      X_n

• La presenza di carico elettrico all'interno della regione di carica spaziale genera una diff. di potenziale tra le due regioni X_p, X_n detta "potenziale di built-in (V_bi)"

0.6 V < V₀ < 0.9

Anche V₀ e legato alla regione di svuotamento quindi maggiore sara' la regione di svuotamento, maggiore sara' il pot. di built-in. Minore sara' la regione di svuotamento minore sara' il pot. di built-in. V₀ cresce da sx -> dx. => la regione n ha un potenziale maggiore.

COMPORTAMENTO DEL DIODO COLLEGATO A UN GENERATORE DI TENSIONE

1) POLARIZZAZIONE INVERSA: quando applichiamo una differenza di potenziale con il morsetto positivo dal lato del catodo (regione n).

GIUNZIONE PN POLARIZZATA INVERSAMENTE O CONTROPOLARIZZATA.

Quando applichiamo un potenziale alla giunzione pn la struttura deve riorganizzarsi, VR si somma al pot. di built-in V0, poiche VR per come e stato collegato tende a rendere ancora piu maggiormente positivo il potenziale nella regione p e ancora maggiormente negativo il potenziale nella regione n. Poiche il pot. di barriera aumenta necessariamente aumenta la regione di svuotamento e di conseguenza aumenta anche il campo elettrico => aumenta anche la corrente di drift Is, cio significa che

Is > ID.

Ora nel diodo circola una corrente I = IS - ID che va da DX verso SX cioe dalla regione n alla regione p. Ora non mi resta che determinare una componente di elettroni e una di lacune che costituiscono I nel diodo.

1.2) CORRENTE DI LACUNE: esse si muoveranno nel verso della corrente I quindi andranno da DX -> SX.

A SX le lacune risultano i portatori di carica maggioritari, quindi un valore Se per primo di campo e genera una corrente di lacune significativa.

A DX, nella regione n le lacune sono i portatori di carica minoritari.

Per avere nella regione di svuotamento una corrente di carica costante necessariamente la regione n deve fornire delle lacune, ma per quello che abbiamo detto in n le lacune sono minoritarie, allora l'unico modo affinche tale regione fornisca lacune al fine di formare una componente di corrente di lacune significativa nella regione di svuotamento, e attraverso una corrente di diffusione cio significa che deve esistere un gradiente di concentrazione.

Ora per fornire lacune che da DX vadano a SX, tende ad abbassare la concentrazione di lacune in x_n come p_n(x_n) = 0, la corrente di diffusione resta comunque limitata poiche p_n0 e piccolo (regione n lacune minoritarie n >> p).

N.B. Ho tenuto conto nella regione n la componente della corrente di lacune risulta solo la corr. di dif. poiche risulta trascurabile la corrente di drift.

1.2) COEFFIMENTO DEGLI ELETTRONI.

Nella regione n gli elettroni costituiscono i portatori maggioritari, quindi non hanno alcun problema a creare una componente di corrente che da Bx -> Dx. In conseguenza della presenza di essi, essendo gli elettroni i portatori minoritari, a dissipare una corrente di diffusione la concentrazione in (-Xp) deve necessariamente portarsi a zero cosi' per effetto della diffusione degli elettroni da Sx -> Dx ne risulta tuttavia che la corrente di diffusione resta limitata poiche' n0 e' piccolo.

La corrente costituita dalle due componenti, risultanti eerogate piegola. => il diodo quando e' elettropolariizzato vi circola una corrente piccolissima I = Is corrente di saturazione

~ come se fosse un int. aperto.

2) POLARIZZAZIONE DIRETTA. = quando applichiamo una differenza di potenziale Vf ed il morsetto positivo dal lato del panno

Il diodo quando e' elettropolariizzato vi circola una corrente piccolissima I = Is corrente di saturazione

=> La tensione Vf si somma alla tensione di built-in V0

=> la regione di svuotamento si restringe di conseguenza diminuisce E

=> diminuisce la componente della corrente di deriva Is :

Is < ID

=> nel diodo circola una corrente I = ID - Is va da Sx -> Dx

cioe' dalla regione n verso la regione p.

2.1) Componente di carico.

stesso verso della corrente nella regione p: esse costituiranno i portatori maggioritari, non si hanno problemi nella ricerca di una componente che da Sx -> Dx, dato che esse sono inerenti nella regione in cui la regione di svuotamento

nella regione n, esse risultano i portatori minoritari di cariche, allora l'unico modo far circolare corrente nella regione di tipo n e' diffusione poiche' e' trascurabile corrente di drift.

[p(xn) puo' essere + alta] => la corrente puo' essere rilevante.

→ zone di cariche in xn.

2.3) Comportamento dei elettroni: gli elettroni della regione n sono iniettati attraverso la regione a carica spaziale in p, ove pero essi risultano portatori di carica minoritari p cosi significa che l'unico modo di avere una corrente che si -> da i, gli elettroni circolano per diffusione in p. cio e in conseguenza il valore della concentrazione di elettroni in -xp (np(-xp)) puo aumentare, ne risulta che la corrente puo assumere un valore grande.

Di conseguenza nella polarizzazione diretta appare una corrente dall'anodo al catodo che puo essere anche consistente.

Eq caratteristica del diodo.

- Convenzionalmente si prendono versi della tensione e della corrente in polarizzazione diretta.

• Polarizzazione diretta v = V_F
• inversa v = -V_R.

Legge della giunzione

p_n(x_n) = p_n0 e^v/V_T

n_p(-x_p) = n_p0 e^v/V_T

Esercizi/bisogno di scaricamento.

V_T = kT/q tensione termica. 25mV per T = 300K

Da cio si osserva che se:

• v = 0 => p_n(x_n) = p_n0, n_p(-x_p) = n_p0 con equilibrio
• v < -3V_T polarizzazione inversa => p_n(x_n) = n_p(-x_p) tali concentrazioni risultano tendere allo zero.
• v > 3V_T tali concentrazioni crescono esponenzialmente con la tensione e di conseguenza anche la corrente tot. cresce esp. con la tensione.

La relazione che lega le due grandezze elettriche risultasse:

i = I_S [exp(v/(nV_T)) - 1]

• I_S corrente di saturazione inversa e [10^-18, 10^-12]
• n = fattore di non identita [1,2]
• V_T tens. termica
• n = 1 x silicio

POLARIZZAZIONE DIRETTA

POLARIZZAZIONE INVERSA

i = 0 per v = 0.

v < -3V_T => exp(v/V_T) << 1 ~ 0 => i ~= -I_S

v > 3V_T => exp(v/V_T) >> 1 => i ~= I_S exp(v/V_T)

V_T = kT/q tensione termica. k = 5,67 * 10^-8 W/m²K⁴

Il diodo in polarizzazione inversa subisce la funzione di un circuito aperto, in condizione di diretta polarizzazione di un circuito chiuso.

Osservando della caratteristica del diodo in polarizzazione diretta si nota che se v resta pari a pochi V_T la corrente del diodo risulta ancora trascurabile: volume inferiore all'ordine del 10^-15 di I_S, si avrà una corrente rilevante; sia l'argomento dell'esponenziale deve essere addirittura dell'ordine 10⁹ per poter erogare una corrente significativa. Si è osservato che basti una tensione V_f e [0,5; 0,6]V con V > V_f avere una corrente che sia apprezzabile. Superato V_f la corrente aumenta rapidamente.