Elementi di elettronica, Diodi

Appunti di elettronica generale

Stefano Ciardulli

Indice

• 1 Introduzione
  • 1.1 Resistività
  • 1.1.1 Conduzione nei metalli
  • 1.2 Semiconduttori
  • 1.2.1 Drogaggio
  • 1.2.2 Silicio di tipo n
  • 1.2.3 Silicio di tipo p
  • 1.2.4 Corrente di diffusione
• 2 Diodo
  • 2.1 Polarizzazione
  • 2.2 Caratteristica del diodo
  • 2.3 Analisi dei circuiti contenenti i diodi
    • 2.3.1 Risoluzione grafica
    • 2.3.2 Analisi mediante modello ideale del diodo
    • 2.3.3 Analisi mediante modello del diodo a caduta costante
    • 2.3.4 Modello del diodo a caduta costante con resistenza serie
  • 2.4 Regione di Breakdown
    • 2.4.1 Regolatori di tensione
  • 2.5 Raddrizzatori
    • 2.5.1 Raddrizzatore a singola semionda
    • 2.5.2 Raddrizzatore con filtro capacitivo

Capitolo 1: Introduzione

1.1 Resistività

Consideriamo una barretta di materiale, di sezione A e lunghezza L. La resistenza di tale barretta dipende ovviamente dal materiale di cui è composta e vale: L∗R = ρ A dove ρ è una proprietà intrinseca del materiale detta resistività e misurata in Ω·cm.

I materiali possono così essere classificati a seconda del valore della propria resistività:

• ρ > 10⁵ Isolanti
• 10^-3 < ρ < 10⁵ Semiconduttori
• ρ < 10^-3 Conduttori

1.1.1 Conduzione nei metalli

Nei metalli gli atomi sono organizzati in una struttura regolare, chiamata reticolo cristallino, all'interno della quale ciascuno di essi occupa una posizione di equilibrio. Gli elettroni più periferici di ciascun atomo, elettroni di valenza, risultano quasi del tutto slegati dal proprio nucleo pertanto possono muoversi liberamente all'interno di questo reticolo cristallino. In questa situazione di moto disordinato la corrente che passa in una barretta di metallo presa in esame è nulla, in quanto il valore medio di tale moto è nullo.

Applicando una differenza di potenziale ai capi di questa barretta di lunghezza L, si genera un campo elettrico pari a: V/L. Gli elettroni liberi, per effetto del campo elettrico, iniziano a muoversi ordinatamente acquistando una velocità, detta velocità di deriva, pari a:
v = µ·E dove µ è la mobilità degli elettroni e misurata in cm²/V·s.

Definiamo la densità di carica Q, la carica per unità di volume, misurata in C/cm³. Indicando con:
- q = 1.6×10^-19 C, carica dell'elettrone in valore assoluto;
- n, concentrazione di elettroni (proprietà intrinseca del materiale);
abbiamo che: Q = -q·n.

Si definisce inoltre la densità di corrente j, come il prodotto tra densità di carica e velocità di deriva:
j = Q·v = (-q·n)(-µ·E) = q·n·µ·E.

A questo punto il calcolo della corrente, I, è semplicemente il prodotto tra densità di corrente e Area, quindi:
I = j·A = q·n·µ·V·A/L.

Osserviamo che: R = V/I = L/(q·n·µ·A) ⇒ ρ = 1/(q·n·µ).

1.2 Semiconduttori

I semiconduttori si differenziano in semiconduttori elementari, stesso tipo di atomo nel reticolo cristallino, e semiconduttori composti, formati dall'unione di più semiconduttori elementari. Il semiconduttore usato nell'elettronica è il silicio.

Il silicio appartiene alla quarta colonna della tavola periodica, ogni atomo crea, tramite gli elettroni, legami covalenti con altri quattro atomi vicini. Per temperature prossime allo zero assoluto tutti gli elettroni sono impegnati in legami covalenti con gli atomi adiacenti pertanto non vi può essere passaggio di corrente, il silicio si comporta come un isolante.

Al crescere della temperatura viene fornita energia termica al reticolo cristallino che causa la rottura di alcuni legami covalenti. Tali rotture provocano il formarsi di lacune, anche dette buchi o hole, e elettroni liberi. Un elettrone che si è liberato dal legame covalente può andare a riempire la lacuna di un altro legame.

L'effetto complessivo di questo fenomeno sarà un moto di lacune, caricate positivamente, e un moto di elettroni, cariche negative. Si può dimostrare che la mobilità delle lacune è più bassa di quella degli elettroni. A differenza dei metalli abbiamo quindi due costanti di mobilità: mobilità degli elettroni (µ_n) e mobilità delle lacune (µ_p), con µ_n > µ_p.

Indicando con n la concentrazione degli elettroni e con p quella delle lacune, si capisce subito che nel silicio, quando è puro, n = p. Entrambe le concentrazioni vengono anche indicate con il simbolo n_i, concentrazione intrinseca, e dipendono dal materiale e dalla temperatura. Una formula di più larga validità è: n·p = n_i².

Le velocità di deriva di lacune e elettroni avranno segno opposto in quanto gli elettroni, carichi negativamente, sono discordi dal campo elettrico mentre le lacune concordi. Quindi:

• v_n = -µ_n·E
• v_p = µ_p·E

Le densità di carica rispettive avranno anch'esse segno opposto: Q_n = -q·n per gli elettroni, Q_p = q·p per le lacune. E quindi sia elettroni liberi che lacune contribuiranno al passaggio di corrente:

j = Q_n·v_n + Q_p·v_p = (-q·n)(-µ_n·E) + (q·p)(µ_p·E) = (n·q·µ_n + p·q·µ_p)·E.

Da qui otteniamo la corrente nei semiconduttori:

I = A·j = A·(n·q·µ_n + p·q·µ_p)·E = A·(n·q·µ_n + p·q·µ_p)/L.

Resistività nei semiconduttori...