Teoria Sistemi Elettronici

SISTEMI ELETTRONICI

CHIMICA DEI MATERIALI

I materiali utilizzati in elettronica possono essere suddivisi in 3 gruppi: ISOLANTI, CONDUTTORI e SEMICONDUTTORI.

Il parametro in base al quale viene effettuata questa suddivisione è la RESISTIVITÀ ρ

ρ < 10^-3 Ω cm CONDUTTORE [rame ≈ 3 · 10^-6 Ω cm]

10^-3 < ρ < 10⁵ Ω cm SEMICONDUTTORE

ρ > 10⁵ Ω cm ISOLANTE [quarzo = 10¹⁶ Ω cm]

RESISTENZA elettrica

La resistenza R di un elemento denota la sua proprietà di opporsi al passaggio di corrente elettrica e si misura in Ohm (Ω).

R = ρ · ℓ / S = ℓ / σ · S

ρ: resistività elettrica σ: conduttività elettrica ℓ: distanza dei punti tra i quali è misurato la tensione S: area della sezione a una corrente

CONDUTTANZA

La conduttanza è la capacità di un elemento di condurre la corrente elettrica, si misura in Siemens (S).

G = 1 / R = S / ρ · ℓ = σ · S / ℓ

CONDUTTORI

• Gli atomi si dispongono in modo da condividere più o meno tutti gli elettroni.
• Quando si induce un campo elettrico (ΔV ai capi) gli elettroni vengono accelerati e a regime vi è una corrente che determina

SEMICONDUTTORI

• ELEMENTARI: elementi del IV gruppo
  • Silicio (Si)
  • Germanio (Ge)
  • Carbonio (C) sotto forma di grafite
• COMPOSTI:
  • II gruppo
    • Arsenuro di Gallio (GaAs)
    • Fosfuro di Gallio
  • II+VI gruppo

I materiali possono essere classificati anche in base alle caratteristiche della distribuzione degli atomi:

• AMORFI: struttura disordinata
• CRISTALLI: distribuzione regolare
  • POLICRISTALLI: insieme di cristalli

Per sfruttare le proprieta dei semiconduttori è tuttavia necessario utilizzare materiali in forma cristallina.

Es. Silicio (IV gruppo → 4 cristalli orbitale esterno (motomico n° atomi: 1-4)

LEGAMI COVALENTI

Rappresentazione bidimensionale del reticolo cristallino del silicio

Rappresentazione 3D del reticolo cristallino del Silicio

CORRENTE NEI SEMICONDUTTORI

1) CORRENTE DI DERIVA

Cristallo di semiconduttore sottoposto ad una ΔV

Le particelle cariche vengono messe in moto dal campo elettrico dando origine ad una corrente detta di deriva o di trascinamento.

I protoni si muovono nella stessa direzione (e verso) del campo elettrico (gli elettroni si muovono invece in verso opposto)

VELOCITÀ DI DERIVA ELETTRONI:

J_n = (u_n E)

mobilità cariche negative

VELOCITÀ DI DERIVA PROTONI:

J_p = (u_p E)

mobilità cariche positive

μ_n ≈ 2.5 μ_p → Gli elettroni si muovono più velocemente/facilmente

CORRENTE DI DERIVA NEL SEMICONDUTTORE:

I = I_p + I_n = A p q V_p - A n q V_n

A = area sezione cristallo

q = carica elementare

I = A q E (p μ_p + n μ_n)

(corrente

I = q (p μ_p + n μ_n) E

→ densità di corrente

σ = q (p μ_p + n μ_n)conducibilità

Nella zona di svuotamento

E(x) = ¹/_εs ∫_{-qNA^qND ρ(x) dx}

∫_{-qNA^qND ρ(x) dx}

condizione di neutralità

-q_NA x_p = q_ND x_n

dE/dx = ρ/ε_s

Il campo elettrico è nullo nelle zone in cui non c’è lo svuotamento. È sempre negativo perché si oppone allo spostamento

Potenziale di Built-In V_o = (0.6-0.9)V

La barriera di potenziale impedisce che si muovano le cariche nelle

regioni di svuotamento

Se applichiamo una ΔV alla giunzione pn:

• p
• n
• E

CATODO

ANODO

POLARIZZAZIONE INVERSA

POLARIZZAZIONE DIRETTA

Modello ai piccoli segnali

Sovrappongo un segnale con modulo piccolo

Se SV è in funzione del tempo potrebbe dunque modulare il diodo nei intorno del punto di lavoro. Approssimo al primo ordine di Taylor.

Se i valori sono vicini al valore nominale si approssima con una resistenza. Come ricavo Ro?

I_D = I_S(e^V/VT-1)

Suppongo di essere in conduzione VD≫VT

I_D = I_Se^V/VT

L’esponenziale è ≫ 1 [e^V/VT≫1]

(VD, ID) punto di lavoro ⟹ I_D ≈ I_Se^VD/VT

Tenendo conto della perturbazione SV:

VD+SV

I_D ≈ I_Se^VD/VT e^SV/VT = I_S ⟹

I_D ≈ I_D⃰ e^SV/VT

e^x ≈ 1 + x per x ≫ 0

Taylor al 1° ordine:

I_D = I_D (1 + SV/VT)

I_D = I_D + I_D SV/VT

perturbato corollare punto lavoro

I_D - I_D⃰ = (SV/RO) ⟹ RO = VT/I_D → PUNTO DI LAVORO

REGOLAZIONI CIRCUITI DEI DIODI

REGOLAZIONE DI TENSIONE

L'obiettivo è quello di avere caduta di tensione anche con un generatore non costante.

Si possono mettere diodi in serie con le fine di avere piccole variazioni di tensione ai capi a fronte di una grande variazione dell'alimentazione. Il prezzo da pagare è che si dissipa potenza nel diodo.

DIODI ZENER

Diodi fatti per lavorare in regione di breakdown in cui, come si evince dal grafico, la tensione ai capi del diodo è approssimativamente costante e indipendente della corrente.

Sono fatti per lavorare nella regione di breakdown, dove i diodi normali si brucerebbero perché non riuscirebbero a resistere al forte passaggio di corrente.

Possono dissipare potenza fino a 50 W.

• Nella zona di interdizione si usa come circuito aperto.
• Nella zona di conduzione normale, Rz è sostanzialmente molto piccola.

Nota: Ie diodi Zener si usa come regolatore di tensione ai picchi.

Circuiti Limitatori

Limitatore → circuito che limita la tensione di uscita al di sopra o al di sotto di un valore, o tra due valori.Simile a raddrizzatore ad una semionda.

D₁ in conduzione se V_i ≥ L⁺=> V_o = L⁺

(prima V_c < L⁺ V_i = V_o)

Segnale in ingresso cresce

Diodo entra in conduzionee rimane fino a quando la tensione ai capi del condensatore non raggiunge la tensione del picco in ingresso=> Diodo in conduzione=> Tensione in uscita nullaV_o = 0

V_c ≤ L⁺V_o = V_iI = 0 => non scorre corrente sul resistore

V_i > L⁺

V_o = L⁺

non scorre corrente nel circuitonon c'è la stessa tensione ai capi in ingresso e in uscita

In base alla caratteristica ideale del diodo e prescindere da quale sia il valore della corrente che fluisce nel dispositivo, la tensione di uscita rimane costante sul valore

Elettronica Digitale e Diodi

I calcolatori lavorano con due soli valori logici (0,1). Questi due valori sono in realtà due valori elettrici, sono due diversi valori di tensione:

• 0 → 0V
• 1 → 5V

Esistono 3 operatori elementari (AND, OR, NOT) con cui si può fare qualsiasi operazione.

NOT

AND

OR

INVERTER

Realizzazione con Diodi

OR

Resistenza di pull-down

I₁, I₂, O

OR logico: è un’idea, nella realtà non conviene usarlo perché consuma tantissimo

AND

[Formato]