Elettronica e Elettronica Digitale

CAPITOLO 2: ELETTRONICA DELLO STATO SOLIDO

2.1 Materiali dell'elettronica a stato solido in

I materiali utilizzati in elettronica possono essere suddivisi tre categorie:

isolanti, conduttori e semiconduttori. Il parametro in base al quale viene

p,

effettuata questa suddivisione è la resistività espressa in OHM ·cm.

I semiconduttori elementari sono formati da atomi di un solo elemento

(appartenente alla IV colonna della tavola periodica degli elementi; si veda la di

Tabella 2.2), mentre i semiconduttori composti sono formati da combinazioni

elementi appartenenti alla terza e quinta colonna della tavola periodica, oppure alla

seconda e sesta colonna.

I materiali sono classificati come amorfi, policristallini e cristallini in base alle

caratteristiche della distribuzione degli atomi. I materiali amorfi sono caratterizzati

da una struttura completamente disordinata, mentre i cristalli presentano una

distribuzione regolare degli atorni. I materiali policristallini, infine, sono costituiti

da un insieme di "grani" cristallini.

Il silicio appartiene alla quaita colonna della tavola periodica, e quindi presenta

quattro elettroni di valenza nell'orbitale più estemo. Nella fonna cristallina ciascun

atomo di silicio forma un legame covalente con i quattro atomi più vicini. Del

modello a legame covalente si può dare una rappresentazione bidimensionale,

mostrata in Figura 2.2.

Per temperature prossime allo zero assoluto, tutti gli elettroni sono impegnati in

legami covalenti con gli atomi adiacenti, sicché non vi è alcun elettrone disponibile

per il processo di conduzione. Gli orbitali esterni degli atomi di silicio sono

il

occupati, e materiale si comporta come un isolante. Al crescere della

temperatura, viene fornita energia termica al reticolo cristallino, causando la

rottura di alcuni legami covalenti, sicché qualche elettrone può partecipare alla

conduzione, come mostrato in Figura 2.3. La densità degli elettroni liberi è detta

concentrazione intrinseca n_i ( cm^- 3) e dipende dal materiale e dalla

temperatura.

L'ampiezza della banda proibita EG rappresenta il valore minimo di energia

necessario a rompere un legame covalente e liberare un elettrone. il

La densità degli elettroni di conduzione (o elettroni liberi) viene indicata con

simbolo "n" (in elettroni/cm^3) e nel caso di un semiconduttore intrinseco è pari

=

alla concentrazione intrinseca: n n_i. (Un semiconduttore è detto intrinseco se

non contiene impurità.)

Oltre all'elettrone, la rottura di un legame covalente determina la formazione di un

altro portatore di carica che contribuisce al processo di conduzione, come mostrato

=

in Figura 2.3. Quando l'elettrone, caratterizzato da una carica -q -1.602 x 10^-19

C, si allontana dall'atomo di silicio (per esempio a causa di un campo elettrico),

lascia nel cristallo una lacuna (o vacanza) caratterizzata da una carica opposta +q.

La concentrazione di lacune è indicata con il simbolo p (in lactme/

cm^3). La rottura di un legame covalente detemlina quindi la formazione di due

particelle cariche: una lacuna e un elettrone.

n = n_i

Nel caso del silicio intrinseco si ha = p, e il prodotto delle concentrazioni

di elettroni e lacune è pari a:

L'Equazione anche conosciuta come legge dell'azione di massa, può essere

utilizzata per descrivere il prodotto pn in un semiconduttore solo se questo si trova

in condizioni di equilibrio termodinamico. All'equilibrio termodinamico le

proprietà del materiale dipendono solo dalla temperatura.

2 3.3 Saturazione della velocità di deriva

Per valori del campo elettrico superiori a circa 3 x 10^4 V /cm la velocità dei

portatori nel silicio raggiunge un valore costante detto velocità di saturazione

v_sat. Per gli elettroni e le lacune nel silicio V_sat è circa pari a 10^7 cm/s.

2.5 Impurità nei semiconduttori

Una delle proprietà più vantaggiose dei semiconduttori è costituita dal fatto che la

conducibilità del semiconduttore può essere modificata introducendo nel materiale

degli atomi di impurità attraverso un processo chiamato drogaggio. In un

semiconduttore drogato, o estrinseco, la resistività può assumere valori compresi

in un intervallo molto ampio, e si può fare in modo che la resistività sia

determinata dalla concentrazione di elettroni oppure dalla concentrazione di

lacune.

2.5.1 Impurità di tipo donatore per il silicio

Le impurità di tipo donatore per il silicio sono costituite da elementi

appartenenti alla quinta colonna della tav. per. e presentano 5 elettroni di

valenza. Quando un atomo donatore occupa il posto di un atomo di silicio nella

struttura cristallina, quattro dei cinque elettroni dell'orbitale più esterno formano

legami covalenti. A temperatura ambiente,

praticamente tutti gli atomi donatori cedono un elettrone. Quando un atomo

donatore cede un elettrone, diventa uno ione positivo con carica pari a +q, che

occupa una posizione fissa nel reticolo cristallino.

2.5.2 Impurità di tipo accettore per il silicio

Le impurità di tipo accettore nel silicio sono costituite da atomi di elementi della

terza colonna della tavola periodica, con tre elettroni di valenza. L'atomo di boro è

l'impurità di tipo accettore più utilizzata, che sostituisce un atomodi silicio nel

reticolo. Un elettrone che si trova nelle vicinanze dell'atomo di boro può essere

facilmente "accettato" in modo da formare quattro legami covalenti con gli atomi

di silicio adiacenti. Questo processo porta alla formazione di una lacuna, che può

spostarsi all'interno del reticolo, essa è assimilata ad una particella con carica

positiva +q, l'atomo di boro invece acquista una carica negativa -q.

2.6 Concentrazioni degli elettroni e delle lacune nei semiconduttori

estrinseci. n > p, n,

Nel caso in cui risu lti il semiconduttore è detto di tipo mentre è detto di

p p > n. il

tipo se Il portatore che assume valore maggiore di concentrazione è

detto portatore maggioritario, mentre l'altro è detto minoritario. Le

concentrazioni di atomi donatori e accettori sono indicate con i simboli

ND = concentrazione di atomi donatori atomi/cm^3

NA = concentrazione di atomi accettori atomi/cm^3

Osserviamo inoltre che la densità di carica nel semiconduttore deve essere nulla,

ovvero la somma delle cariche positive deve uguagliare la somma delle cariche

negative. La neutralità della carica può essere espressa matematicamente dalla

relazione:

2.8 Corrente di diffusione

La variazione della concentrazione di portatori è responsabile di un altro fenomeno

di conduzione detto diffusione. I portatori liberi tendono, infatti, a muoversi da

regioni a elevata concentrazione verso regioni a bassa concentrazione di portatori.

La corrente di diffusione è data da:

CAPITOLO 3: Diodi a stato solido e circuiti a diodi

3.1 Il diodo a giunzione pn p,

La concentrazione di lacune è molto elevata nella regione e molto bassa nella

regione n. Analogamente, vi è un'elevata concentrazione di elettroni nella regione n

p.

e una concentrazione molto bassa nella regione

Si verifica un primo processo di conduzione rappresentato dalla corrente di

diffusione, in cui le lacune si diffonderanno dalla regione a elevata

concentrazione nel lato p verso la regione a bassa concentrazione nel lato

n; mentre gli elettroni si diffonderanno dalla regione n verso la regione p.

Se tali processi di diffusione continuassero indisturbati, si avrebbe alla fine

una concentrazione uniforme di elettroni e lacune nel semiconduttore e la

giunzione pn cesserebbe di esistere.

Si deve verificare quindi un secondo processo di conduzione,in modo da

bilanciare la diffusione, tale processo è la corrente di deriva: man mano

che le lacune mobili diffondono dalla regione p alla n, lasciano nella

regione p degli atomi accettori immobili carichi negativamente,

analogamente gli elettroni lasciano nella regione n degli atomi donatori con

carica positiva. Si form quindi in prossimità della giunzione una regione di

carica spaziale (RCS), svuotata di portatori mobili, tale regione è detta

anche regione di svuotamento o strato di svuotamento.

Se integriamo il campo elettrico otteniamo il potenziale intrinseco o

potenziale di giunzione:

Si utilizza il campo elettrico e il potenziale di giunzione per il calcolo della

larghezza della RCS:

3.2 Caratteristica i-v del diodo.

La corrente in un diodo è dovuta alla tensione a esso applicata. Considerando il

diodo in Figura 3.6, la tensione v0 rappresenta la tensione applicata ai terminali del

diodo, mentre la id è la corrente che attraversa il diodo. La tensione applicata

modifica il bilancio tra le correnti di diffusione e di deriva nella RCS: una tensione

>0 applicata al diodo riduce la barriera di potenziale per elettroni e lacune, una

tensione <0 produce invece un incremento della barriera di potenziale. La tensione

necessaria affinchè il diodo conduca in modo significativo è chiamata tensione di

accensione (turn-on) o di soglia del diodo.

Per tensioni negative la corrente non è esattamente pari a zero, e più precisamente

per -Is.

tensioni inferiori a - 0.1 V tende a un valore costante, pari a La corrente Is è

detta

corrente di saturazione inversa, o semplicemente corrente di saturazione del

diodo.

Diodo in polarizzazione inversa, nulla e diretta

3.4

Quandouna tensione continua viene applicata adun dispositivo elettronico, stiamo

applicando una tensione di polarizzazione. La polarizzazione determina la regione

2 regioni: la

di funzionamento del dispositivo. Nel caso del diodo vi sono

polarizzazione inversa(Vd<0) e quella diretta (Vd>0); la condizione di

polarizzazione nulla (Vd=0) rappresenta il punto di separazione tra le

regioni di polarizzazione diretta e inversa.

Quando il diodo funziona in polarizzazione "inversa" lo si considera spento

(off), in quanto la corrente è molto bassa. Nel caso di polarizzazione

diretta, il diodo si trova in uno stato di elevata conduzione, ed è considerato

"acceso" (on).

3.6.2 Rottura della giunzione

All'aumentare della tensione inversa, aumenta l'intensità del campo

elettrico all'interno della RCS, fino a che il diodo entra nella regione di

rottura, processo chiamato breakdown, il valore della tensione in

corrispondenza della quale avviene tale rottura è detta tensione di rottura

Vz e assume valori compresi tra 2 e 2000 V.

Idenifichiamo due meccanismi di rottura: "per effetto di moltiplicazione a

valanga" e "per effetto Zener".

Rottura per effetto di moltipli