Riassunti teoria enertronica prof Emanuele Bertoluzzo

RIASSUNTI ENERTRONICA

SEMICONDUTTORI

Per i semiconduttori alla temperatura dello zero assoluto (-273,15 °C) la banda di valenza è piena e non ci sono

elettroni nella banda di conduzione. Tuttavia la banda proibita di un semiconduttore è molto piccola rispetto a

quella di un isolante e l’applicazione di una piccola quantità di energia (1,2 eV nel caso del Silicio) può portare

gli elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione: L’energia termica disponibile quando il

semiconduttore si trova a temperatura ambiente è sufficiente per questo scopo.

Se è applicata una tensione a un semiconduttore e alcuni dei livelli di energia nella

banda di valenza non sono occupati da elettroni, allora ci sono delle lacune dove gli

elettroni possono esistere: un elettrone può saltare da un atomo all’altro per riempire

la lacuna. Quando salta l’elettrone lascia una lacuna dietro di se e si dice comunemente

che la lacuna si è mossa in direzione opposta dell’elettrone. In questo senso scorre una

corrente costituita da uno scorrimento di elettroni liberi in verso opposto a quello del

campo e da uno scorrimento delle lacune in verso concorde a quello del campo.

Un materiale semiconduttore puro è detto materiale intrinseco. Il drogaggio consiste nell’aggiungere opportuni atomi di

impurità al materiale semiconduttore, in questo modo aumenta di molto la conduttività del materiale. Un materiale

semiconduttore drogato è chiamato materiale estrinseco.

Sono possibili due tipi differenti di drogaggio:

• drogaggio di donatori: genera elettroni liberi nella banda di conduzione aggiungendo atomi pentavalenti

(Antimonio, Fosforo e Arsenio) in cui solo 4 dei 5 elettroni di valenza sono necessari a formare i legami covalenti

del reticolo, mentre il quinto elettrone passa allo stato di elettrone libero senza che si formi alcuna lacuna. Il

semiconduttore si dice drogato di tipo N: gli elettroni liberi sono chiamati cariche di maggioranza e le lacune

cariche di minoranza.

• drogaggio di accettori: genera lacune nella banda di valenza aggiungendo atomi tetravalenti (Boro, Alluminio e

Gallio) in cui ogni atomo di impurità si lega con quelli adiacenti ma, avendo solo 3 elettroni di valenza rispetto

all’atomo semiconduttore il quale ne ha 4, si forma una lacuna senza elettroni liberi. Il semiconduttore si dice

drogato di tipo P: gli elettroni liberi sono chiamati cariche di minoranza e le lacune cariche di maggioranza.

In un semiconduttore intrinseco non vi sono atomi droganti, pertanto la concentrazione di elettroni liberi deve essere

=

pari alla concentrazione di lacune quindi . La concentrazione di elettroni e lacune nell’intrinseco si indica con e:

⋅ =

Per la legge di azione di massa questa equazione deve valere per tutti i valori di drogaggio N e P di quel tipo di

semiconduttore. Si noti che cresce fortemente all’aumentare della temperatura.

Quando un semiconduttore è allo zero assoluto non ci sono elettroni liberi nella banda di conduzione né lacune nella

banda di valenza quindi esso si comporta da isolante. Quando un materiale è riscaldato gli elettroni se ne vanno dai loro

atomi e si muovono dalla banda di valenza a quella di conduzione: l’applicazione di una quantità sempre maggiore di

energia termica genera un numero crescente di coppie elettrone-lacuna, di conseguenza la corrente cresce al crescere

della temperatura. Ad un certo punto avviene la vibrazione degli atomi e quindi viene ostacolato il moto delle cariche.

Un’eccezione a questa regola vale per i semiconduttori drogati i quali si comportano come un conduttore.

In un conduttore o in un semiconduttore a temperatura ambiente un elettrone libero, sotto l’influenza di un campo

elettrico, si muove verso il polo positivo della tensione applicata ma esso collide continuamente con gli atomi lungo il

percorso. Ogni volta che l’elettrone urta un atomo esso rimbalza in una direzione qualunque. La presenza del campo

elettrico non fa cessare le collisioni ma fa si che le cariche abbiano un moto di deriva nella direzione del campo elettrico

applicato. La corrente prodotta in questo modo è detta corrente di deriva ed è il tipo di corrente che usualmente si ha in

un conduttore.

Si supponga che sia iniettata una concentrazione di cariche ad una estremità del provino di materiale semiconduttore in

quantità maggiore della concentrazione presente all’altra estremità: c’è la tendenza delle cariche a muoversi

gradualmente, o diffondere, dalla regione ad alta densità di carica verso quella a bassa densità. Al movimento delle

cariche corrisponde una corrente elettrica che prende il nome di corrente di diffusione.

In definitiva, in un dispositivo a semiconduttore sono presenti, diversamente dai materiali conduttori, due tipi di

corrente: corrente di deriva e corrente di diffusione.

GIUNZIONE P-N

La giunzione P-N è costituita da materiale semiconduttore in cui sono a contatto

diretto due zone drogate rispettivamente con impurità di tipo P e di tipo N.

Poiché nei pressi della giunzione le lacune e gli elettroni hanno concentrazioni

diverse, alcuni elettroni liberi della parte N si diffondono attraverso la giunzione

dalla regione ad alta concentrazione di carica a quella a bassa concentrazione

riempiendo le lacune dalla parte P. Gli elettroni liberi, attraversando la giunzione:

a) formano degli ioni negativi dalla parte P fornendo agli atomi un elettrone in

più del numero totale di protoni;

b) lasciano degli ioni positivi nella parte N.

Analoghe considerazioni valgono per la diffusione di lacune dalla parte P alla parte N. Perciò la regione della parte P

vicina alla giunzione acquista una carica negativa e in modo analogo la regione della parte N vicina alla giunzione

acquista una carica positiva. La carica negativa accumulata dalla parte P respinge gli elettroni che tendono ad

attraversare la giunzione provenendo dalla parte N e, allo stesso modo, la carica positiva accumulata dalla parte N

respinge le lacune che tendono ad attraversare la giunzione provenendo dalla parte P. Il risultato è che:

a) a causa della densità di carica non nulla nella giunzione nasce una barriera di potenziale ( di soglia), negativa

dalla parte P e positiva dalla parte N;

b) il campo elettrico associato alla barriera di potenziale impedisce, in condizioni di regime, un ulteriore

movimento di elettroni e di lacune di maggioranza attraverso

la giunzione, a differenza delle cariche minoritarie che la

attraversano facilmente.

Quindi si ha che una regione svuotata di portatori di carica si estende

da entrambe le parti di una giunzione P-N e penetra più

profondamente nella parte meno drogata.

Giunzione polarizzata inversamente

Se si applica una tensione inversa ad una giunzione P-N gli elettroni della

parte N sono attratti dal terminale positivo e le lacune della parte P sono

attratte al terminale negativo. In questo modo la zona di svuotamento si

allarga e il potenziale di barriera aumenta del valore della tensione

applicata. Con un potenziale di barriera aumentato non c’è possibilità per

le cariche di maggioranza di attraversare la giunzione, a differenza delle

cariche minoritarie che possono facilmente attraversare la giunzione e il

loro flusso produce una corrente inversa .

La caratteristica mostra che è sufficiente una piccola tensione inversa per far si che

tutte le cariche minoritarie disponibili attraversino la giunzione. Quando tutte le

cariche minoritarie la attraversano un ulteriore aumento di tensione applicata non

porta ad un aumento di corrente: in questo caso la corrente presente è detta

corrente di saturazione (inversa) ed è solitamente una corrente molto piccola.

Si può dimostrare che è dipendente dalla carica dell’elettrone, dalla densità dei

droganti, dalla temperatura e dall’area della giunzione.

Se si aumenta la tensione inversa oltre un certo limite, l’intensità del campo elettrico è tale da vincere il campo opposto

esistente nella zona di svuotamento e conferire alle cariche di minoranza delle velocità sufficienti a strappare per urto

gli elettroni dagli atomi nella zona di svuotamento dando luogo alla formazione di un gran numero di cariche libere e, di

conseguenza, ad una corrente elevata che fluisce attraverso la giunzione.

Questo fenomeno è noto come scarica a valanga e si verifica quando il drogaggio non è elevato, con relative ampie zone

di svuotamento.

Se il drogaggio è elevato, con relativa zona di svuotamento ristretta, il campo elettrico sarà più elevato a causa della

minore distanza. Gli atomi in questo caso non urtano poiché escono subito dalla zona di svuotamento ma si ottiene un

campo elettrico che rompe numerosi legami covalenti degli atomi prendendone numerosi elettroni di valenza. Le

cariche libere che vengono generate vanno a riempire la giunzione diminuendone cosi la resistività e rendendola

conduttiva. Questo fenomeno è noto come effetto Zener.

Giunzione polarizzata direttamente

Se si applica una tensione diretta ad una giunzione P-N le lacune della

parte P essendo cariche positive sono respinte dal terminale positivo

e spinte ad attraversare la giunzione. Il risultato è che la regione di

svuotamento si riduce in spessore e se la tensione applicata aumenta,

il potenziale di barriera cala progressivamente fino a scomparire e i

portatori di carica possono attraversare facilmente la giunzione

dando luogo una corrente di cariche maggioritarie chiamata corrente

diretta . Per tensioni applicate inferiori al potenziale di barriera (0,7 V per il Silicio) scorre

una corrente diretta molto piccola. La caratteristica segue una legge

esponenziale e oltre al ginocchio la corrente cresce quasi linearmente con

e il semiconduttore si comporta come una resistenza. Il valore della resistenza è

molto piccolo ed è dato dalla resistenza ohmica delle due parti P ed N che

formano la giunzione.

Caratteristica della giunzione

Capacià della giunzione

La zona di svuotamento della giunzione P-N è una regione svuotata di cariche libere, perciò essa si comporta come un

dielettrico situato tra due zone conduttrici, come accade in un condensatore. Poiché la larghezza della zona di

svuotamento può essere variata agendo sulla tensione inversa applicata, la capacità di transizione varia con la

tensione inversa applicata.

Si consideri una giunzione polarizzata direttamente con una corrente : le cariche di maggioranza si accumulano nella

regione vicino alla giunzione della parte in cui diffondono (elettroni nella parte P, lacune nella parte N), ma queste

cariche devono però fluire indietro quando si toglie la polarizzazione diretta o si applica una polarizzazione inversa per

ristabilire le nuove condizioni di funzionamento. L’accumulo/ripristino del livello di carica nelle parti P e N può essere

assimilato alla carica/scarica di un condensatore e per questo si può associare una capacità, nota come capacità di

, ad una giunzione quando essa è polarizzata direttamente. Tale capacità è proporzionale alla corrente

diffusione

diretta e ha valori tipici delle decine di nF, ossia è molto più grande della capacità di transizione. La capacità di

diffusione diventa molto importante per i diodi ai quali si richiede di commutare rapidamente dallo stato di conduzione

a quello di interdizione.

DIODI

Il diodo a giunzione è costituito da materiale semiconduttore in cui sono a contatto

diretto due zone drogate rispettivamente con impurità di tipo P e di tipo N. Esso

offre una bassa resistenza quando è polarizzato direttamente e un’elevata resistenza

quando è polarizzato inversamente, approssima pertanto il comportamento elettrico

di un interruttore ideale. Peraltro, diversamente da esso, il diodo conduce la

corrente solo in una direzione, quella che va dall’anodo al catodo.

Caratteristica dei diodi

Considerando un diodo al Silicio dalla caratteristica si riconosce che la corrente diretta rimane piccola (meno di 1 mA)

finché la tensione diretta non supera il potenziale di

barriera di circa 0,7 V. Oltre questa tensione cresce quasi

linearmente con . è quasi completamente indipendente

dall’incremento della tensione inversa. La corrente di

saturazione inversa è dell’ordine dei μA ed è minore di

1/10000 volte la normale corrente diretta; quindi il diodo

polarizzato inversamente può essere considerato come un

interruttore aperto. Si dimostra che l’equazione corrente-

tensione del diodo è la seguente:

1 =

= con

dove è detta tensione termica, è la costante di

Boltzmann, è la temperatura assoluta in K e è la carica

dell’elettrone.

Se la tensione inversa è portata oltre una certa soglia (75 V nel caso di Silicio), il dispositivo entra in scarica inversa la

quale può distruggere un diodo a causa dell’elevata potenza dissipata.

Caratteristica lineare a tratti Quando si progetta un circuito a diodi si usa talvolta approssimare:

i) la caratteristica diretta del diodo con due linee rette; questa

approssimazione è chiamata caratteristica lineare a tratti. Si noti che la seconda

linea interseca l’asse orizzontale per un valore di circa uguale a 0,7 V legato al

= ! ∙ #

$

potenziale di barriera:

ii) la caratteristica indiretta con un carico che assorbe una corrente costante;

questa approssimazioni vale per tensioni inverse non troppo piccole né troppo

=

grandi:

Funzionamento come interruttore % & 0. %

Equazioni con Il diodo è polarizzato in diretta e conduce (diodo ON):

% = () ! % =& )≅ ; %≅0

(

% , 0.

Equazione con Il diodo è polarizzato in inversa ed è interdetto (diodo OFF):

% = () ! % =& ) ≅ 0; % ≅ %

% = () ! %

Retta di carico ricavata tramite: -

) = .

• Intercetta con l’asse delle ordinate:

% = %

• Intercetta con l’asse delle ascisse:

Punto di lavoro: intersezione tra la caratteristica del diodo e quella del carico

Tempo di commutazione del diodo e risposta in frequenza

Nel passaggio da conduzione a interdizione c’è sempre un certo ritardo dovuto alla presenza della capacità di diffusione.

/

00

Questo tempo, detto tempo di recupero inverso , limita la frequenza massima alla quale il diodo può operare.

Quando è applicato un gradino di tensione in ingresso al diodo e questo gradino diventa negativo, invece di interdirsi

rapidamente, il diodo conduce. L’elevata corrente inversa è dovuta al fatto che si devono smaltire le cariche della

capacità di diffusione, ossia le cariche diffuse e immagazzinate nella zona di svuotamento dalle due parti del diodo

(elettroni nella parte P e lacune nella parte N). Il tempo di recupero inverso è il tempo richiesto perché la corrente sia

/

00

uguale a . Valori tipici di vanno da 4 a 50 μs.

Il tempo di commutazione limita ovviamente la massima frequenza di lavoro del dispositivo. Se la frequenza in ingresso

= 2 ∙ /

00

è tale che il diodo conduce in inversa quasi tanto quanto conduce in diretta. In questo caso non si comporta

più come un dispositivo unidirezionale. Per rendere trascurabile l’effetto della corrente inversa il periodo di lavoro deve

/

00

essere indicativamente maggiore di 10 volte .

Dati caratteristici dei diodi

I più importanti dati caratteristici di un diodo sono:

2

- Tensione inversa di picco ( ): picco di tensione inversa applicabile al diodo.

- Tensione inversa di scarica ( ): minima tensione inversa alla quale il diodo può scaricare.

- Corrente diretta a regime ( ): massima corrente che può passare in continua sul diodo; essa è data di solito a

25°C e deve essere diminuita se si lavora a temperature più alte.

2

- Picco di sovracorrente ( ): corrente che può passare nel diodo per un determinato periodo di tempo a una

determinata temperatura. La sovracorrente è molto più grande della corrente diretta massima. E’ una corrente

che può passare solo per un breve periodo per esempio quando il circuito viene acceso.

- Corrente di saturazione inversa ( ): corrente del diodo per una data tensione inversa e temperatura.

- Caduta di tensione diretta ( ): massima caduta di tensione diretta per una data corrente e temperatura.

- Potenza dissipata in continua a 25°C (3): massima potenza che il dispositivo può sopportare in continua. Se il

dispositivo lavora a temperature maggiori questa potenza deve essere minore. Nel caso si utilizzino sistemi di

dissipazione di calore si può lavorare a potenze maggiori.

5

- Capacità di diffusione (4 ): massima capacità per un diodo polarizzato direttamente per una data corrente.

00

- Tempo di recupero inverso (/ ): tempo massimo del dispositivo per passare da ON ad OFF

TRANSISTOR

Il transistore bipolare a giunzione o BJT (Bipolar Junction

Transistor) è formato da due giunzioni P-N affacciate e

vicine. Poiché il transistore è un dispositivo a tre terminali

ci sono tre possibili connessioni dei terminali, ottenute

prendendone uno come terminale comune. La regione centrale viene chiamata base, una delle regioni esterne è

chiamata emettitore e l’altra è chiamata collettore.

La regione di base è sempre costruita in modo che il suo spessore e la

concentrazione di drogaggio (ampia zona di svuotamento) siano minori

delle due regioni esterne.

Correnti a base comune e ad emettitore comune

Si consideri un transistore N-P-N connesso a base comune:

6

• è la corrente di emettitore ed è costituita da un flusso di elettroni che vanno dall’emettitore alla base;

7 8

• è una corrente di fuga collettore-base formata dai portatori minoritari che attraversano la giunzione CB

polarizzata inversamente;

7

• è la corrente di collettore ed è costituita da un flusso di

elettroni che vanno dalla base al collet