Appunti Componenti elettronici

Appunti componenti

• 1-Diodi
• 2-BJT
• 3-MOS
• 4-Amplificatori operazionali

1-Diodi

1.1 Semiconduttori

I materiali si possono classificare sulla base della resistività elettrica ρ, con la conducibilità elettrica σ, in:

• Metalli, ρ < 10^-2 Ωcm
• Semiconduttori, ρ ≈ 10⁵ Ωcm
• Isolanti, ρ > 10⁵ Ωcm

La conducibilità elettrica di un materiale dipende dal valore dei portatori di carica, ad esempio per gli elettroni: q = −1,602 ∗ 10^-19 C, dalla densità volumetrica dei portatori di carica liberi nel materiale e dalla loro mobilità μ.

σ = qnμ.

In presenza di un campo elettrico, le cariche si muovono generando la corrente di deriva.

1.2 Il silicio

Il silicio è un semiconduttore con 4 elettroni di valenza, con i quali può fare 4 legami.

Il silicio si comporta in modo diverso a seconda della temperatura e del drogaggio, fino a 4 configurazioni:

• A T = 0°C (n = p = 0) si comporta da isolante in quanto non ci sono cariche libere;
• A temperatura ambiente possiamo avere:

Silicio intrinseco

Il silicio intrinseco ha delle lacune che possono essere colmate da elettroni vicini.

La conducibilità c’è, ma ha valori molto bassi.

Silicio estrinseco

Il silicio estrinseco si ottiene drogando il silicio, cioè aggiungendo delle impurezze durante la formazione del cristallo in modo da modificarne la conducibilità.

In particolare, si può ottenere:

• Silicio di tipo N, se viene drogato con elementi donori del V gruppo, come Arsenico e Fosforo. In questo caso vi è un eccesso di elettroni e la conduzione è dominata proprio da questi ultimi (n >> p) e (σ > σi);
• Silicio di tipo P, se viene drogato con elementi accettori del III gruppo, come Boro e Gallio. In questo caso vi è un eccesso di protoni e la conduzione è dominata da questi ultimi (p >> n) e (σ > σi).

1.3 Il diodo

1.3.1 Struttura

Appunti componenti 1

Il diodo è bipolo non lineare formato da silicio. In particolare, viene realizzata una giunzione P-N, che si ottiene accostando una parte di silicio di tipo N, con eccesso di elettroni, e una parte di silicio di tipo P, con eccesso di protoni.

Quando le due parti vengono avvicinate gli elettroni della parte N tendono a colmare le lacune della parte P instaurando una corrente, detta corrente di diffusione.

A causa di questo spostamento di cariche, alle estremità della giunzione si forma un campo elettrico che genera a sua volta una corrente, detta di deriva, e opposta a quella di diffusione.

Il campo elettrico porta quindi ad avere un potenziale di barriera che identifica la zona di svuotamento lungo la giunzione tra P ed N.

1.3.2 Polarizzazione diretta e inversa

Quando si collega un generatore di tensione ai capi del diodo, si possono avere tre configurazioni:

Polarizzazione diretta

Se il polo positivo del generatore è collegato alla parte P della giunzione e viceversa, il polo negativo alla parte N, si ha che le lacune vengono respinte dalle parte P e fatte confluire verso la parte N e analogamente, gli elettroni tenderanno a spostarsi verso la zona P.

Questo comporta l’assottigliarsi della zona di svuotamento.

Nel momento in cui la tensione applicata al diodo superi il potenziale di barriera, la zona di svuotamento si assottiglia a tal punto che il diodo verrà attraversato da corrente dall’anodo al catodo, comportandosi di fatto come un corto circuito.

La corrente favorita è quella dei maggioritari e scorre dall’anodo al catodo.

ID

Polarizzazione inversa

Se il polo positivo viene collegato con la parte di giunzione N e quello negativo con la parte P, allora gli elettroni saranno attratti dal polo positivo e dunque si stabilizzeranno nella parte N, e analogamente le lacune nella parte P.

Questo fa sì che la zona di svuotamento si allarghi e che il potenziale di barriera aumenti al punto che non può passare corrente. Il diodo si comporta in questo caso come fosse un circuito aperto.

Viene favorita la corrente dei minoritari dal catodo all’anodo.

IS

Diodo Zener

Quando il diodo ha una tensione ai suoi capi pari a VD ≈ VZ, questo entra nella zona di breakdown, dove si hanno i seguenti effetti:

• Effetto valanga, dovuto alla rottura dei legami covalenti degli atomi
• Effetto Zener, dovuto al passaggio degli elettroni dalla zona di valenza a quella di conduzione.

Appunti componenti 2

In questa zona il diodo ha come circuito equivalente un generatore di tensione di valore VZ, detta tensione Zener.

In questa configurazione, la corrente scorre dal catodo all’anodo. Non vi è rottura della giunzione fintanto che non si supera la capacità di dissipazione della potenza.

• VD > 0 → diodo normale
• −VZ < VD < 0 → circuito aperto, polarizzazione inversa
• VD ≈ VZ → breakdown → generatore di tensione di valore VZ

Formule

Il diodo presenta una caratteristica di tipo esponenziale:

iD = iS(e^vD/ηVT − 1), dove:

• iS = corrente di saturazione inversa
• η = 2 per il silicio
• VT = kT/q ≈ 25mV è la tensione termica con T = temperatura ambiente
• vD = tensione del diodo

La relazione tra iD e vD permette di definire il punto di lavoro Q del diodo.

Per risolvere il circuito in questo modo, è sufficiente tracciare nello stesso grafico:

• Curva caratteristica del diodo
• Retta di carico, che si trova con la legge delle maglie o di Kirchhoff

Appunti componenti 3

L’intersezione delle due dà il punto di lavoro.

1.3.3 Modelli semplificati

Modello ideale

In prima approssimazione possiamo considerare che:

• id = 0 se vd < 0, → coincide con il comportamento assunto dal diodo in polarizzazione inversa. È come un circuito aperto.
• vd = 0 se id > 0, → coincide con il comportamento assunto dal diodo in polarizzazione diretta. È come un corto circuito.

Modello lineare a tratti

Nel modello lineare a tratti si parte dall’ipotesi che la tensione di soglia Vγ sia la tensione minima da applicare al diodo affinché possa essere attraversato da corrente, equivale al potenziale di barriera.

Quindi:

• Vd = Vγ se Vd > Vγ > 0, iD > 0 → il diodo si comporta come un generatore di tensione con Vγ
• iD = 0 se VD < Vγ, → il diodo si comporta come un circuito aperto

1.3.4 Ingresso sinusoidale

Raddrizzatore a semi-onda

Appunti componenti 4

Supponendo di avere un circuito con un generatore di tensione che fornisce in ingresso una tensione sinusoidale VS, un diodo e un carico RL, allora avremo che se VS > Vγ siamo in polarizzazione diretta, viceversa siamo in polarizzazione inversa.

Volendo tracciare la trans-caratteristica, cioè la relazione tra VS e Vo, tensione sul carico, si ottiene che:

vS(t) = VS cos(ωt)

vo(t) = { vS(t) − Vγ se vS(t) > Vγ; 0 se vS(t) < Vγ }, dove nel primo caso il diodo si comporta come un circuito chiuso.

NB: Il segnale vo(t) inizia dopo e finisce prima del semiperiodo di vS(t).

Questo circuito prende il nome di raddrizzatore a semi-onda:

• Raddrizzatore: perché valutando la tensione in uscita Vo in continua, si ottiene un segnale costante, valore medio non nullo, e non più una sinusoide.
• A semi-onda: perché in uscita si vede solo il contributo della semi-onda positiva della tensione sinusoidale in ingresso.

Raddrizzatore a doppia semi-onda - Ponte di Graetz

Consideriamo un circuito con un generatore di tensione sinusoidale VS, 4 diodi in configurazione di ponte di Graetz, e un carico RL.

Allora:

Appunti componenti 5

• vS(t) > 0 → D1 e D3 accesi, D2 e D4 spenti → vo(t) = vS(t) − 2Vγ; i(t) = (vS(t) − 2Vγ)/R > 0 → vS(t) > 2Vγ
• vS(t) < 0 → D2 e D4 accesi, D1 e D3 spenti → vo(t) = −vS(t) − 2Vγ; i(t) = (−vS(t) − 2Vγ)/R > 0 → vS(t) < −2Vγ

NB: Il segnale vo(t) inizia dopo e finisce prima del semiperiodo di vS(t).

Questo circuito prende il nome di raddrizzatore a doppia semi-onda:

• Raddrizzatore: perché valutando la tensione in uscita Vo in continua, si ottiene un segnale costante, valore medio non nullo, e non più una sinusoide.
• A doppia semi-onda: perché sia il contributo della semi-onda positiva sia quello della semi-onda negativa si vedono in uscita.

Rilevatore di picco

Consideriamo un circuito formato da un generatore di tensione sinusoidale, un diodo e un condensatore con tensione ai suoi capi Vo.

Allora:

vS(t) = VS cos(ωt)

Quando il diodo si accende fa caricare il condensatore fino a che vS(t) > Vγ; Vo(t) = VS − Vγ.

Appunti componenti 6

A questo punto, poiché il condensatore non può scaricarsi e il diodo non può riaccendersi, dato che vS(t) non può superare VS, il valore di uscita resta costante.

vo(t) = { vS(t) − Vγ se t < T/4; VS − Vγ se t > T/4 }

Riportiamo anche i valori della corrente iD:

iD(t) = { C dvo/dt = CωVS sin(ωt) se t < T/4; 0 se t > T/4 }

NB: Per determinare quando il diodo è interdetto si deve risolvere iD(t) = 0, che dà come soluzione t = T/4.

Rilevatore di picco con carico

NB: Se aggiungessimo un carico RL in parallelo al condensatore, quando il diodo si spegne, il condensatore si scarica fintanto che la tensione in ingresso non torna ad essere maggiore della Vγ.

In uscita si ottiene la cosiddetta tensione di ripple, che presenta una ondulazione residua ΔV.

Circuito di clipping

Consideriamo un circuito con un generatore di tensione sinusoidale, una resistenza, un diodo e un generatore di tensione continua come in figura:

Allora:

vS(t) = VS cos(ωt)

vo(t) = { vS(t) se vS(t) < VR + Vγ; VR + Vγ se vS(t) > VR + Vγ }

Appunti componenti 7

Il circuito prende il nome di circuito di clipping in quanto l’uscita corrisponde alla sinusoide in ingresso clippata (tagliata) nella parte di semi-onda positiva per ampiezze superiori alla sogl