Appunti esame: Elettronica generale

ELETTRONICA GENERALE

Semiconduttori

• Isolanti: σ < 10^-7
• Conduttori: σ > 10³, vale la legge di Ohm per tutti e tre (V=Ri) e R= ρ * h/s per un filo conduttore con σ = 1/ρ [Ω^-1cm^-1] conducibilità
• Semiconduttori

1. Isolante: H₂O (Acqua)

   Legame covalente. Gli urti dovuti all’agitazione termica possono avere abbastanza energia da spezzare il legame, e liberare elettroni di conduzione. Questi elettroni, naturalmente, sono pochissimi ed è per ciò che il materiale è un isolante.

2. Conduttore: Cu (Rame), ha un solo elettrone nel guscio di valenza.

   Legame metallico (nube elettronica libera di muoversi), con conseguente facilità di condurre corrente e calore. Gli atomi “tengono” debolmente tali elettroni.

3. Semiconduttore: elementi del 4º gruppo principale e composti binari, ternari e quaternari (leghe) formati da elementi del 3º e 5º gruppo.

   Quello più diffuso è il silicio, usato per tutto tranne che per i display perché non emette luce.

Fisica dei semiconduttori

Lavorazione del silicio

Il silicio deve essere puro in forma cristallina, deve quindi essere purificato dato che si trova combinato con altri elementi. Per la purificazione si fonde un minerale contenente silicio allora gli elementi più pesanti (non il silicio) andranno verso il basso e quindi questi può essere estratto con un livello di purezza del 98% circa. Si prosegue con la distillazione dello stesso sciogliendolo nell’acido per farlo diventare liquido (diventa triclorosilicato, SiHCl₃) e poi procedo con una classica.

distillazione, ottenendo triclorosilicato puro. Infine con un'altra reazione chimica, riottengo Si puro ma liquido. A temperatura ambiente però, "solidifica" come un vetro solido amorfo, che è tale per liquido ma molto viscoso. Per ottenere il silicio cristallino lo si fa diventare liquido e si appoggia un singolo cristallo di silicio. Gli altri atomi si attaccano seguendo le parti cristalline piano piano alzo il cristallo iniziale che tira a sé tutto il resto del silicio e, raffreddandosi diventa un singolo grande cristallo di silicio monocrastallo appunto. Dopodiché, si taglia a fette molto sottili.

Reticolo cristallino del silicio:

A 0°K gli elettroni sono attaccati ai legami di appartenenza e di conseguenza non conduce corrente meglio semiconduttore. Aumentando la temperatura l'agitazione termica libera degli elettroni dai legami. A temperatura ambiente 300°K ci sono n=10¹⁰ cm^-3 densità di elettroni, gli atomi invece sono N=10²² cm^-3, e la distanza tra due atomi è 0.5 x 10^-10 m. Gli elettroni rispetto agli atomi sono pochi!

Si comporta come un conduttore per la meccanica quantistica. Conosco la velocità dell'elettrone , non conosco la posizione, a causa del principio di indeterminazione di Heisenberg, ma è funzione di conoscere la probabilità che si trovi in un punto dello spazio. p(x,t)=|φ(x,t)| che è uguale al modulo di un pacchetto d'onde complesse φ(x,t), che sono descritte dall'equazione di Schroedinger. Queste onde hanno lunghezza d’onda λ=h/p λ=h/mv (relazione di De Broglie, h costante di Plans)

Non si riesce a confinare l'elettrone in una regione piú piccola della sua lunghezza d'onda, quindi questa mi da il grado di incertezza sulla posizione.

– cadute di potenziale in corrispondenza dei legami covalenti in cui sono presenti degli elettroni.

concetrazione

dove: D_n e D_p = coefficienti di diffusione e q = carica elementare (e)

Corrente totale: j = qp_pnE + qn_nE - qD_p dp/dx - qD_n dn/dx

Potenziale termico (V_t)

Legge di Einstein D/μ = k_BT/q = 26 mV = V_t (con T = 300K)

- D_p/μ_p = V_t = 26 mV

Per drogare un semiconduttore intrinseco si può farlo nascere così (durante il processo si aggiunge il drogante), o si mette un gas di impurità su un suo lato dove si fa tal volta e si aspetta che l’agitazione termica faccia in modo che le impurità vengano assorbite dal semiconduttore

gas di impurità tipo n

andamento decrescente esponenzialmente della concentrazione di impurità

Un altro metodo di drogaggio (il più diffuso) consiste nel “bombardare” una parete del semiconduttore con degli ioni del drogante accelerati e posso quindi decidere il profilo di concentrazione delle impurità variando la velocità degli ioni (se li lancio più velocemente andranno più in profondità)

Si generarà una corrente di diffusione (provocata dal moto degli elettroni da sinistra a destra in questo caso a causa della differente concentrazione), di conseguenza si crea una tensione, quindi un campo elettrico, e quindi una corrente di deriva di elettroni di segno opposto che compensa quella di diffusione (corrente totale degli elettroni nulla)

- j_n = qn_nE - qD_n dn/dx = 0 . . . nE - D_n/μ_n dn/dx . . . E dx . . . V_t dn/n

V_z=3V serve per avere una tensione di riferimento costante

Mosfet

Transistor a effetto campo a MOS (esisto è un interrutore elettronico)

FET (Field Effect Transistor: a effetto a campo) per l'elettronica digitale.

Transistor BJT per l'elettronica analogica.

È formato da tre strati sovrapposti: metallo, ossido di silicio (un isolante),

silicio di tipo P (o n) il metallo e il semiconduttore sono collegati

a due elettrodi: rispettivamente detti gate (G) e body (B). In base

al segno all'intensità della tensione V applicata abbiamo

diversi comportamenti:

1. Caso V < 0

Si comporta come un normale capacitore

cioè in modo lineare

(Q ε lunghezza)

2. Caso 0 < V < V_T (V_T = tensione di soglia)

zona di svuotamento

creata a causa dell'allontanamento (svuotamento)

delle lacune è formata

quindi da ioni negativi

fissi

All'aumentare di V la

zona di svuotamento

diventa più grande, la distanza

effettiva d tra le cariche

aumenta e quindi c diminuisce

(c = ε S)

d

Q (di accomodazione)

massimo (strozzamento)

è strano che dopo uncerto valore aumentando latensione la corrente diminuisca

Aumentando V_DS le punte si "inclinano" di più. Ad un certo punto però la densità di carica diventa zero, quindi il canale si strozza e sparisce, la corrente smette di scorrere, ma senza corrente V(x) diventa zero ma si raggiunge un equilibrio tra la tendenza del canale a ridursi e la necessità che la corrente persista.

V_OX(L) = V_DS - V(x=L) = V_GS - V_T → Se la tensione ai capi dell’ossido è uguale a quella di soglia, il canale si strozza.

V_OX(L) = V(x=L) → V_DS = V_GS - V_T

Dopo lo strozzamento la velocità degli elettroni diventa costante a pari al massimo possibile. (Dato che in teoria quando il canale si restringe la velocità aumenta e quando esso proprio si strozza la velocità tocca ad infinito, cosa naturalmente non possibile e quindi diventa il massimo consentito)

Caratteristica del MOSFET:

saturazione

lineare

interdizione

• 3 regioni del Mosfet:
• INTERDIZIONE V_GS < V_T (dato che la tensione di controllo V_GS è più piccola di quella di soglia V_T)
• LINEARE: I_DS = k(V_GS - V_T)V_DS(1/2) (la corrente aumenta all’aumentare della tensione V_DS fino a raggiungere il massimo per V_DS = V_GS - V_T, cioè quando il canale si "strozza")