Teoria di Elettronica per i sistemi biomedicali

DISPOSITIVI ELETTRONICI SEMICONDUTTORI

Questi dispositivi sono basati sul silicio cristallino o altri materiali, ma questi devono avere una struttura CRISTALLINA idealmente perfetta (vi devono essere pochissimi difetti).

Conduttore= conduce energia elettrica
Semi-conduttore= la base di questo componente non è né un isolante né un conduttore perfetto.

I semiconduttori includono i diodi.

Si parte da un cristallo puro di silicio, il quale è un ottimo isolante.
Quando si costruisce il componente, si fa diventare il silicio un semiconduttore.

CONDUTTORI E ISOLANTI

La corrente elettrica è un flusso di cariche elettriche (solitamente elettroni).
Nella pila o nel generatore di tensione, quando scorre una corrente i si ha un flusso di elettroni.
In un circuito tanti ne escano da un punto tanti ne escono da un altro.
La pila quindi rimane sempre elettricamente NEUTRA non si ha un accumulo di elettroni, perché questi circolano.
Gli elettroni sono negativi.

Quindi la vera corrente degli elettroni circola nel verso opposto rispetto a quello disegnato: le particelle cariche negativamente sono attratte dal positivo. Gli elettroni scorrono sui campi elettrici. L'elettrone sarebbe attratto dai +. Ciò che fa muovere gli elettroni è quindi V (perché è l'integrale del campo elettrico). Un conduttore è quel materiale che non oppone resistenza (resistenza trascurabile) al passaggio di elettroni. I materiali che permettono ciò sono per esempio i metalli. Nucleo fatto da neutroni e protoni e gli elettroni che vi girano intorno (elettricamente neutro). L'elettrone non è legato al nucleo, quindi teoricamente può andare dove vuole. È il campo elettrico che tiene gli elettroni vicini al nucleo. Un atomo che per sua natura ha degli elettroni che stanno più lontani dal nucleo, è più propenso a perdere elettroni (perché per toglierglieli basta poca energia).

Perché sono meno legati). Gli elettroni molto vicini invece necessitano di un energia maggiore per levarli dal nucleo. Gli atomi non sono isolati (materia fatta di atomi e molecole). Gli elettroni più esterni di un atomo tendono ad essere attratti anche dagli altri atomi. Vi sono materiali in cui la loro struttura molecolare è tale che alcuni elettroni (quelli più esterni) sono liberi di circolare in tutto il materiale. Materiali in cui gli elettroni non circolano = ISOLANTI. Materiali in cui gli elettroni possono circolare = CONDUTTORI. Vi sono materiali in cui è più facile far sì che un elettrone diventi LIBERO. Può dipendere per esempio dall'energia che c'è nel materiale (materiale più caldo --> libera elettroni).

DISPOSITIVI SEMICONDUTTORI. Dispositivi NON LINEARI (Esempio: diodi, mosfet...). La maggior parte dei dispositivi è basata sulla tecnologia a silicio (quello più economico e più...

facile da lavorare). Questi dispositivi sono realizzati su WAFER di SILICIO, che sono dischi molto sottili (con diametro 10-30 cm). Si parte da un cristallo di silicio→Si deve costruire un reticolo cristallino quasi perfetto. Un semiconduttore ha una RESISTENZA ELETTRICA (non capacità a far passare le cariche elettriche). Un materiale che ostacola il passaggio di elettroni crea una resistenza R. Per far passare corrente dalla resistenza devo creare un campo elettrico V. Sul conduttore perfetto si dovrebbe avere V=0 (gli elettroni passano senza resistenze). I= V/R

DROGAGGIO Si deve partire da un reticolo cristallino perfetto del silicio. Vengono aggiunti atomi “estranei” (chiamati atomi DROGANTI--> silicio= drogato), che interferiscono la struttura. Sostituisco gli atomi di silicio con atomi di altri elementi, i quali sono molto simili al silicio ma differiscono perché hanno o un elettrone in meno o uno in più rispetto al silicio (per esempio arsenico e

silicio durante il processo di drogaggio. Successivamente, viene applicato un materiale fotosensibile chiamato resist. La resist viene esposta alla luce ultravioletta attraverso una maschera che contiene il disegno del circuito desiderato. La luce ultravioletta fa indurire la resist solo nelle aree esposte, mentre nelle aree non esposte la resist rimane morbida. Dopo l'esposizione, viene eseguita una fase di sviluppo in cui le parti morbide della resist vengono rimosse, lasciando solo le parti indurite. Queste parti indurite fungono da maschera per il successivo processo di drogaggio. Il drogaggio consiste nell'introduzione di impurità controllate nel silicio per alterarne le proprietà elettriche. Ci sono due tipi principali di drogaggio: drogaggio di tipo N e drogaggio di tipo P. Nel drogaggio di tipo N, si introducono impurità che aggiungono elettroni liberi al silicio, creando una regione di tipo N. Nel drogaggio di tipo P, si introducono impurità che creano lacune, ovvero mancanza di elettroni, creando una regione di tipo P. Dopo il drogaggio, viene eseguita una fase di diffusione termica in cui le impurità vengono fatte diffondere nel silicio attraverso il calore. Questo processo crea regioni di tipo N e P ben definite nel wafer di silicio. Infine, vengono eseguiti vari processi di deposizione e rimozione di materiali per creare i contatti e i collegamenti tra i diversi componenti del circuito. Questi processi includono la deposizione di metalli, la rimozione della resist e la deposizione di strati isolanti. Una volta completato il processo di fotolitografia planare, il wafer viene tagliato in singoli chip e i chip vengono montati su un substrato per creare i dispositivi semiconduttori finali.

siliciosottostante. Si spalma sul disco il PHOTORESIST, il quale è sensibile agli ultravioletti. Quindi tramite una mascheratura viene illuminato dagli ultravioletti (dove viene illuminato cambia la struttura del photoresist). Sull'ossido di silicio si crea quindi una struttura. Il disco di silicio viene messo in un'altra macchina, la quale li bombarda con gli ioni dell'elemento DROGANTE. Nelle aree protette dal photoresist non si ha questo bombardamento, ma dove non si ha questa protezione i droganti passano nel substrato. Drogaggio di tipo P = con elementi con elettroni in meno (carica positiva in più). Drogaggio di tipo N = con elementi con elettroni in più, cambiano le caratteristiche elettriche del cristallo di silicio. Questi passaggi vengono ripetuti più volte per creare il pattern di cui ho bisogno. Con varie fasi realizzo i vari drogaggi (p o n) che servono. Si crea una maschera di photoresist e si leva l'ossido dove non serve. Nelle

zona P, mentre i buchi tendono a spostarsi dalla zona P alla zona N. Questo crea una differenza di potenziale tra le due zone, chiamata barriera di potenziale. Quando si applica una tensione positiva all'anodo (zona P) e una tensione negativa al catodo (zona N), si crea un campo elettrico che contrasta il movimento degli elettroni e dei buchi. In questa condizione, il diodo è in stato di polarizzazione inversa e non permette il passaggio della corrente. Al contrario, quando si applica una tensione positiva al catodo e una tensione negativa all'anodo, si riduce la barriera di potenziale e si permette il passaggio della corrente. In questa condizione, il diodo è in stato di polarizzazione diretta e permette il flusso degli elettroni dalla zona N alla zona P. Il simbolo del diodo è rappresentato da una freccia che indica la direzione della corrente quando il diodo è in stato di polarizzazione diretta. Il diodo è uno dei componenti fondamentali dell'elettronica e viene utilizzato in molte applicazioni, come il raddrizzamento di corrente alternata, la protezione da sovratensioni e la generazione di segnali.

zona P per “tappare” i buchi della zona P. Si crea una zona di svuotamento (si svuota di elettroni e di buchi) = DEPLETION REGION. Quindi si creano due zone, una carica positivamente e una negativamente → si crea CAMPO ELETTRICO, quindi si ha una TENSIONE (BARRIERA DI POTENZIALE). La barriera è caratteristica del materiale (in questo caso circa 0.7V). Quando viene sottoposto a una BATTERIA ESTERNA: la batteria vorrebbe spingere elettroni dal – e riprenderli dal +, ma la barriera potenziale è contro questa cosa. Se la batteria ha un potenziale minore a quello della barriera gli elettroni non riescono a fluire, se è maggiore possono passare. In questa condizione quindi può passare corrente. Mettendo la batteria in questo modo, la batteria aumenta la zona di svuotamento e la barriera. Viene creato un campo elettrico tale che il suo V è uguale al V della batteria. In queste condizioni non passa corrente. Quindi questo componente ha un comportamento

inversa). Il diodo è un componente elettronico che permette il passaggio di corrente solo in un senso, in base alla polarizzazione. L'andamento corrente-tensione all'interno del diodo è esponenziale, ma per semplificare la questione si può dire che sopra i 0.7 V non circola corrente. Quando il diodo è polarizzato inversamente, la barriera si ingrandisce e non vi è passaggio di corrente. Tuttavia, alcuni diodi speciali chiamati ZENER, polarizzati inversamente, permettono il passaggio di corrente. L'andamento corrente-tensione dipende anche dalla temperatura. I dispositivi non devono surriscaldarsi e quindi non devono superare una determinata temperatura, altrimenti si danneggiano.

Il diodo dissipa potenza quando scorre corrente (e quindi quando è polarizzato direttamente).

Potenza in un diodo → Se Vg è minore di 0.7, la corrente che circola è nulla (Vg < 0.7 i = 0) ➔ quindi non c'è dissipazione di potenza. Se Vg è maggiore di 0.7: Vg = Ri + 0.7 (2° legge di K) ➔ il diodo si comporta come un circuito chiuso --> quindi il circuito precedente si può sintetizzare con questo nuovo circuito (è un modello molto semplificato, quindi ci sono condizioni limite in cui questi modelli semplificati non tornano più).

Se connettessi il diodo con un generatore senza la resistenza: --> questo sarebbe un corto circuito, quindi scorrerebbe tutta la corrente che la batteria riesce ad imporre (scorrerebbe una corrente molto alta).

LED (LIGHT EMITTING DIODE)

I LED sono diodi che emettono luce. Utilizzando materiali particolari, si può imporre al diodo di dissipare potenza non tramite calore.

e di ingresso è negativa, il diodo non fa passare corrente. Ma il diodo fa passare la corrente in un solo senso, quindi la corrente è sempre positiva. Se la tensione è alternata (la corrente è alternata), la potenza è "pulsante" e diventa tutto più complicato. Mentre se la tensione e la corrente sono continue il sistema è più semplice. Cambiando la scala di questo grafico: La tensione