Componenti non lineari (o non ohmici)

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1 Componenti non lineari (o non ohmici) Sono componenti elettronici per i quali non vale la legge di Ohm: la corrente non è proporzionale alla tensione applicata. Esempi: La lampadina a incandescenza Le valvole termoioniche Il diodo Il transistor Questi ultimi due utilizzano dei semiconduttori

2 Conduzione elettrica nei semiconduttori (cenni) I semiconduttori sono materiali con resistività intermedie tra i metalli e gli isolanti. Metallo (rame puro): 1.7 cm Semiconduttore (germanio puro): 50 cm Buon Isolante: cm Questa proprietà deriva dalla loro struttura interna. Silicio e Germanio, i due semiconduttori più usati, sono atomi tetravalenti: hanno cioè quattro elettroni nello strato più esterno dell atomo (e quindi più facili da staccare dall atomo) Si Ge

3 Allo stato solido un cristallo di Si o Ge ha tutti gli atomi organizzati in un reticolo 3D ordinato, tenuto insieme da legami covalenti. In tale legame due atomi condividono ciascuno un elettrone di valenza, in una configurazione energeticamente conveniente, detta legame covalente. Conduzione elettrica nei semiconduttori (cenni)

4 Nel reticolo del Silicio la struttura è tale che tutti e 4 gli elettroni di valenza sono utilizzati nei legami tra l atomo considerato e quelli circostanti. Conduzione elettrica nei semiconduttori (cenni)

5 Conduzione elettrica nei semiconduttori (cenni) In queste condizioni sono disponibili per condurre corrente elettrica solo gli elettroni che per agitazione termica si staccano dalla loro coppia di atomi di appartenenza, lasciando una lacuna. Rappresentazione in piano

6 Conduzione elettrica nei semiconduttori (cenni) Se sottoposti ad un campo elettrico, sia l elettrone che la lacuna staccatisi si possono spostare nel cristallo, formando una corrente che viene detta intrinseca. e e E Rappresentazione in piano

7 Conduzione elettrica nei semiconduttori (cenni) La conducibilità del cristallo semiconduttore può essere variata introducendo delle impurezze (drogaggio). Ad esempio sostituendo atomi di Si con atomi di P, che è pentavalente. Avanza un elettrone, che resta debolmente legato all atomo di origine, e facilmente disponibile per la conduzione. P Drogaggio di tipo N

8 Conduzione elettrica nei semiconduttori (cenni) La conducibilità del cristallo semiconduttore può essere variata introducendo delle impurezze (drogaggio). Oppure sostituendo atomi di Si con atomi di Gallio, che è trivalente. Manca un elettrone, e la lacuna resta debolmente legata all atomo di origine, e facilmente disponibile per la conduzione. Ga Drogaggio di tipo P

9 Nei semiconduttori drogati la conducibilità è maggiore di quella dei semiconduttori puri, anche di un fattore di un centinaio, dipendendo dal drogaggio (tipicamente un atomo di drogante ogni milione di atomi del cristallo, ma le cariche vengono liberate molto più facilmente dall agitazione termica). Quindi ad una certa temperatura ci sono una conduzione minoritaria, intrinseca, ed una maggioritaria dovuta al drogante. Nei semiconduttori di tipo N la conduzione maggioritaria avviene grazie agli elettroni in più forniti dagli atomi del drogante pentavalente (P, An, As). Nei semiconduttori di tipo P la conduzione maggioritaria avviene grazie alle lacune in più createsi dagli atomi del drogante trivalente (B, Ga, In). Tipo N Tipo P

10 Il diodo a semiconduttore Viene costruito saldando insieme un cristallo di tipo N ed un cristallo di tipo P (giunzione PN) P N Nella zona di tipo P c è un eccesso di lacune, che tendono a diffondere dentro la zona di tipo N. Viceversa, nella zona di tipo N c è un eccesso di elettroni che tendono a diffondere nella zona di tipo P. P N

11 Il diodo a semiconduttore I processi di diffusione non vanno avanti per molto, perchè si forma un doppio strato di cariche che genera un campo elettrico, che si oppone ad una ulteriore diffusione. P N 0.5m

12 Il diodo a semiconduttore I processi di diffusione non vanno avanti per molto, perchè si forma un doppio strato di cariche che genera un campo elettrico, che si oppone ad una ulteriore diffusione. P E 0.5m N

13 Il diodo a semiconduttore I processi di diffusione non vanno avanti per molto, perchè si forma un doppio strato di cariche che genera un campo elettrico, che si oppone ad una ulteriore diffusione. P E N 0.5m Una lacuna diretta da P a N viene ostacolata perchè trova il campo elettrico avverso E. Una (delle poche lacune presenti in N) diretta verso P non viene ostacolata da E.

14 Il diodo a semiconduttore I processi di diffusione non vanno avanti per molto, perchè si forma un doppio strato di cariche che genera un campo elettrico che si oppone ad una ulteriore diffusione. P E 0.5m Un elettrone diretto da N a P viene ostacolato, perchè trova il campo elettrico E che lo frena. Un elettrone (dei pochi presenti in P) diretto verso N non viene ostacolato dalla presenza del campo E. N

15 Il diodo a semiconduttore C è quindi una barriera di potenziale in corrispondenza della giunzione: P N V x

16 Il diodo a semiconduttore Gli elettroni della zona N possono passare nella zona P solo se hanno una energia maggiore di P N V x

17 Il diodo a semiconduttore Il numero di elettroni con energia tra E ed EdE è dato dalla statistica di Boltzmann: dn Quindi il numero di elettroni con energia maggiore di sarà: N E kt Il numero totale di elettroni è Ce de Ce de Per cui la probabilità che un elettrone abbia energia > e passi il doppio strato è P La corrente di elettroni I onp attraverso il doppio strato sarà proporzionale a tale probabilità. N E kt CkTe T N / 0 kt Ce E kt N T e de kt CkT

18 Il diodo a semiconduttore Ci sarà una analoga corrente di lacune da P a N P N V x

19 Il diodo a semiconduttore A regime, le due correnti devono essere uguali ed opposte. I opn P I onp V Ae kt N x

20 Polarizzazione diretta del diodo Supponiamo ora di applicare un campo elettrico nella giunzione tramite un generatore di tensione. P E E N Polarizzazione diretta

21 Polarizzazione diretta del diodo La differenza di energia tra P ed N diventa e V, e quindi la corrente di elettroni da N a P diventa La corrente (minoritaria) di elettroni da P ad N invece rimane la stessa, perchè non era ostacolata dal campo di doppio strato. P E V E N I NP Ae ev kt I opn Ae kt Polarizzazione diretta

22 Polarizzazione diretta del diodo La corrente di elettroni è quindi: I NP I opn Ae e V kt P E V Ae E kt Ae N kt 1 e e V kt Polarizzazione diretta

23 Polarizzazione inversa del diodo Supponiamo ora di rovesciare il generatore. P E E N Polarizzazione inversa

24 Polarizzazione inversa del diodo La differenza di energia tra P ed N diventa e V, e quindi la corrente di elettroni da N a P diventa La corrente (minoritaria) di elettroni da P ad N invece rimane la stessa, perchè non era ostacolata dal campo di doppio strato. I NP Ae I opn Ae ev kt kt P E E N V Polarizzazione inversa

25 Polarizzazione inversa del diodo La corrente di elettroni è quindi: I opn I NP Ae kt P V Ae E E e V kt N I o 1 e e V kt Polarizzazione inversa

26 Riassumendo : la corrente elettronica è : Per polarizzazione diretta: I I NP opn I opn I NP Quindi la corrente convenzionale è : I I o o 1 e Per polarizzazione inversa: I 1 e ev kt I 1 o e e V kt e V kt A P I N K Simbolo del diodo V

27 I ev kt I 1 o e I V Il diodo si comporta approssimativamente come una resistenza molto alta per polarizzazione inversa, e come una resistenza bassa per polarizzazione diretta. dv 1 R eq di di dv I V

28 Misura della caratteristica V I del diodo La caratteristica V(I) è non lineare La si può visualizzare sull oscilloscopio: Si deve ricordare in generale di: Misurare sempre i valori dei componenti scelti utilizzando il ponte d impedenze ed il multimetro a disposizione in laboratorio. Nel caso del diodo controllare la sigla (1N4148) stampata sull involucro ed eventualmente consultare le specifiche tecniche del costruttore. Nell effettuare le connessioni ricordarsi che i terminali ground dei due canali dell oscilloscopio sono connessi internamente. Quindi i 2 coccodrilli neri vanno connessi nello stesso punto tra r e diodo. Questo è il motivo per cui userete un trasformatore al posto del generatore di segnali. Ricordarsi di far scorrere una corrente non superiore a quella consigliata dal costruttore (diodo polarizzato direttamente). V/R<10mA

29 Osc. CH Y: V R =Ri d R Osc. CH X: V d 220 V AC CHY CHX

30 Applicazioni del diodo Per molte applicazioni è utilizzabile un modello di diodo in cui R diretta è R o, e R inversa è infinita: I I V V

31 Applicazioni del Diodo Una delle applicazioni più comuni del diodo è quella di raddrizzatore, in circuiti nei quali si vuole convertire una tensione alternata in una continua. Questa applicazione è importante perchè la maggior parte dei circuiti elettronici funziona in corrente continua, ma la distribuzione dell energia elettrica avviene con corrente alternata per poter far uso dei trasformatori. V in V out V in R V out Raddrizzatore a una semionda La tensione in uscita non cambia mai segno t t

32 Applicazioni del Diodo Il circuito a destra può essere considerato un partitore di tensione tra il diodo e R. Ma il rapporto di partizione è diverso quando il diodo è polarizzato direttamente (V in positiva) e quanto è polarizzato inversamente (V in negativa). Nel primo caso (V in positiva) la resistenza equivalente del diodo polarizzato direttamente è bassa, e quindi V out =V in V in V out V in R V out Raddrizzatore a una semionda La tensione in uscita non cambia mai segno t t

33 Applicazioni del Diodo Il circuito a destra può essere considerato un partitore di tensione tra il diodo e R. Ma il rapporto di partizione è diverso quando il diodo è polarizzato direttamente (V in positiva) e quanto è polarizzato inversamente (V in negativa). Nel secondo caso (V in negativa) la resistenza equivalente del diodo polarizzato inversamente è elevata, quindi V out <<V in V in V out V in R V out Raddrizzatore a una semionda La tensione in uscita non cambia mai segno t t

34 Applicazioni del Diodo Il circuito a destra può essere considerato un partitore di tensione tra il diodo e R. Ma il rapporto di partizione è diverso quando il diodo è polarizzato direttamente (V in positiva) e quanto è polarizzato inversamente (V in negativa). In pratica V out è sempre positiva o nulla, ma non diventa mai negativa. E stata raddrizzata. V in V out V in R V out Raddrizzatore a una semionda La tensione in uscita non cambia mai segno t t

35 Applicazioni del Diodo V in V in V out t V out Il ponte di diodi utilizza ambedue le semionde della V in. R t

36 Applicazioni del Diodo 4 1 V out Durante la prima semionda conducono i diodi 1 e 3, perchè polarizzati direttamente, mentre i diodi 2 e 4 sono polarizzati inversamente e non conducono 3 2 R V in V out t t

37 Applicazioni del Diodo 4 1 Durante la seconda semionda conducono i diodi 2 e 4, perchè polarizzati direttamente, mentre i diodi 1 e 3 sono polarizzati inversamente e non conducono 3 2 R V out V in V out La corrente nel carico R scorre sempre nello stesso verso e quindi e continua. t t

38 Applicazioni del Diodo La forma d onda sinusoidale raddrizzata di V out è continua, ma ha una elevata ondulazione (ripple). Si usa un filtro RC, con una elevata costante di tempo (molto maggiore del semiperiodo) per eliminare le alte frequenze, e quindi livellarla intorno al suo valore medio. Siccome R non può essere alta (altrimenti si alza troppo la resistenza interna del generatore), C deve essere molto grande. Ordini di grandezza: R=10, C=10 mf, =100ms V out T=10ms V out V C R C V C t

39 Applicazioni del Diodo Ordini di grandezza: R=10, C=10 mf, =100ms Se il ripple è piccolo in percentuale, si può calcolare approssimativamente la sua entità. Durante le fasi di scarica il condensatore si scarica sul carico (i diodi impediscono la scarica verso il generatore). V Q / C C dv C i carico dt VC icarico T / C Per i carico =1A, coi valori sopra si ottiene V=1V. / C V out T=10ms V out V C R C V C t

40 Il diodo reale La caratteristica più importante del diodo è quella di condurre bene corrente se polarizzato direttamente, con tensione maggiore di circa 0.6 V, e non condurre corrente se polarizzato inversamente. La caratteristica del diodo misurata sperimentalmente è più complessa:

41 I 0.6V V Per diodi al silicio, c è una caduta di tensione sul diodo che per polarizzazione diretta è dell ordine di 0.6V.

42 Diodo idealizzato V out t V out Diodo reale t

43 Inoltre, quando si polarizza inversamente con una ddp molto alta, si arriva al breakdown: le cariche vengono accelerate dal campo elettrico e riescono ad attraversare il cristallo anche se è praticamente dielettrico, perfino ionizzando altri atomi che incontrano. I 0.6V V Si genera quindi una forte corrente, che può portare alla distruzione del diodo. Alcuni diodi sono costruiti apposta per sopportare forti correnti di breakdown: diodi Zener

44 Applicazioni del Diodo Questo circuito limita l escursione del segnale di ingresso ad un amplificatore a 0.6V

45 Partitore Variabile V = out V R d /(R in R d ) V R in V out Vout<0.6V Rd alta Vout=V Vout>0.6V Rd bassa Vout<<V

46 Applicazioni del Diodo Questo circuito impedisce la nascita di scariche tra i contatti dell interruttore quando questo viene aperto. L

47 Applicazioni del Diodo Questo circuito impedisce la nascita di scariche tra i contatti dell interruttore quando questo viene aperto. L I

48 Applicazioni del Diodo Questo circuito impedisce la nascita di scariche tra i contatti dell interruttore quando questo viene aperto. L V=LdI/dt!

49 Applicazioni del Diodo Questo circuito impedisce la nascita di scariche tra i contatti dell interruttore quando questo viene aperto. L V=LdI/dt!

50 Applicazioni del Diodo Questo circuito impedisce la nascita di scariche tra i contatti dell interruttore quando questo viene aperto. L

51 Come realizzare un capacimetro a diodi E un circuito a ponte che permette di confrontare un condensatore incognito C x con un condensatore noto C ref. Se i due condensatori sono uguali, la tensione in uscita dal circuito V mis è nulla. Se i due condensatori sono diversi, la tensione in uscita è proporzionale a C ref C x. Un po come per il ponte di Weathstone per le resistenze. Si può realizzare il circuito e costruire una retta di calibrazione di V mis in funzione di C x.

52 Capacimetro a diodi, D D 2 1 Misura V MIS che è proporzionale a C X C R R 1 R 2 AC C R R L C L V MIS C X D1 e D2: 1N914 o 1N4148 AC = generatore onda quadra, R 1 = R 2 = 10 k 10kHz, 10V pp, media 0 V R L =1k C L = 0.1 F V MIS = tester in VDC, mv FS CR = 330 pf Cx = 10, 22, 47, 68, 100, 220, 330, 470, 1000 pf

53 Funzionamento del circuito Separiamo la descrizione del funzionamento considerando prima il circuito semplificato disegnato qui sotto, e cercando di calcolare la corrente i La trattazione si semplifica ulteriormente se si trattano separatamente i due casi di segnale dal generatore positivo (semiperiodi rossi) e negativo (semiperiodi blu) D 1 D 2 AC R 1 R 2 C R i C X

54 Funzionamento del circuito Durante i semiperiodi di segnale dal generatore positivo (semiperiodi rossi) il diodo D1 non conduce, perché polarizzato inversamente, quindi è come se fosse aperto, mentre il diodo D2 conduce, perché polarizzato direttamente, quindi è come se fosse in corto. D 1 D 2 AC R 1 R 2 C R i C X

55 Funzionamento del circuito Durante i semiperiodi di segnale dal generatore positivo (semiperiodi rossi) il diodo D1 non conduce, perché polarizzato inversamente, quindi è come se fosse aperto, mentre il diodo D2 conduce perché polarizzato direttamente, quindi è come se fosse in corto. Abbiamo quindi la seguente configurazione: V o AC R 1 R 2 C R i C X 0

56 Funzionamento del circuito Invece durante i semiperiodi di segnale dal generatore negativo (semiperiodi blu) il diodo D1 conduce, perché polarizzato direttamente, quindi è come se non ci fosse, mentre il diodo D2 non conduce, quindi è come se fosse aperto. Si realizza quindi questa situazione: V o AC R 1 R 2 C R i C X 0

57 Funzionamento del circuito Durante i semiperiodi di segnale dal generatore positivo la corrente i è la somma della corrente proveniente da R 2 (pari a V o /R 2 ) e di quella proveniente da R 1, dovuta alla scarica del condensatore C R che si è caricato negativamente nel semiperiodo negativo precedente. Quindi i 1 ( t) i R t /( R CR ) 1 ( t) i2 Vo e / R1 Vo / 2 V o AC R 1 R 2 C R i C X 0

58 Funzionamento del circuito Durante i semiperiodi di segnale dal generatore negativo (semiperiodi blu) la corrente i sarà la somma di i 1 proveniente da R 1 (pari a V o /R 1 ) e della corrente i 2 da R 2 proveniente dalla scarica del condensatore C x (che si è caricato a Vo durante il semiperiodo precedente). i 2 ( t) i R t /( R x ) 1 i2( t) V / R1 V e C o o / V o 2 AC R 1 R 2 C R i C X 0

59 Se adesso reinseriamo RL che è molto minore di R1 e R2, possiamo supporre che in prima approssimazione VMIS sia semplicemente ir L, cioè i R L durante i semiperiodi positivi e i R L durante i semiperiodi negativi. D 1 D 2 AC R 1 R 2 C R R L V MIS C X

60 Se adesso reinseriamo RL che è molto minore di R1 e R2, possiamo supporre che in prima approssimazione VMIS sia semplicemente ir L, cioè i R L durante i semiperiodi positivi e i R L durante i semiperiodi negativi. Se la costante di tempo C L R L è maggiore del periodo T dell onda quadra, inserendo il condensatore C L la tensione Vmis diventa semplicemente la media nel tempo di ir L D 1 D 2 R 1 R 2 AC C R R L C L V MIS C X

61 Funzionamento del circuito Quindi se e R 1 =R 2 R x L C R T x R C T R L T L T L L mis C C T R V e C e C T R V dt t i T R dt t i T R t i R V x R 0 2 / 2 / 0 2 / 0 2 / ) ( ) ( ) ( 2 1 RC R RC x T 2, 2

62 x

63 Caratteristica del diodo Per polarizzazione diretta: I I NP opn I opn I NP Quindi la corrente convenzionale è : I I o o 1 e Per polarizzazione inversa: I 1 e ev kt I 1 o e e V kt e V kt A P I N K Simbolo del diodo V

64 I ev kt I 1 o e I V Il diodo si comporta approssimativamente come una resistenza molto alta per polarizzazione inversa, e come una resistenza bassa per polarizzazione diretta. dv 1 R eq di di dv I V

65 Quando si polarizza inversamente con una ddp molto alta, si arriva al breakdown: le cariche vengono accelerate dal campo elettrico e riescono ad attraversare il cristallo anche se è praticamente dielettrico, perfino ionizzando altri atomi che incontrano. I 0.6V Caratteristica del diodo reale V Si genera quindi una forte corrente, che può portare alla distruzione del diodo. Alcuni diodi sono costruiti apposta per sopportare forti correnti di breakdown: diodi Zener

66 Questo andamento della curva caratteristica del diodo Zener significa che la corrente può cambiare molto, ma la tensione ai capi del diodo rimane praticamente costante. Questo fenomeno viene utilizzato quando si ha bisogno di una tensione di riferimento. I 0.6V Caratteristica del diodo reale V

67 Diodo Zener come stabilizzatore di tensione Consideriamo il circuito a lato, con il verso di V G tale da polarizzare inversamente lo Zener. Supponiamo che il diodo Zener abbia una tensione di breakdown V B. Avremo V G =RiV Z (i) dove V Z (i) è la caratteristica dello Zener. finchè V G <V B la tensione ai capi dello Zener V Z è praticamente pari a V G, perché lo Zener polarizzato inversamente conduce una corrente piccolissima. Se V G >V B la tensione ai capi dello Zener V Z è praticamente pari a V B, dato che nella regione di breakdown la tensione ai capi dello Zener è costante per qualsiasi corrente. Ovviamente non si deve esagerare ad aumentare V G perché se la corrente aumenta troppo lo Zener e/o la resistenza si bruciano. V G V Z V B V G R V B V G V Z

68 Diodo Zener come stabilizzatore di tensione Questo circuito può quindi essere utilizzato per stabilizzare una tensione continua. Esistono in commercio diodi Zener con varie tensioni di breakdown e varie potenze dissipabili. Se ad esempio si ha bisogno di una tensione V G stabile di 12V, si produce una tensione più alta (ad esempio con un traformatore, un ponte di diodi ed il filtro RC, producendo ad esempio V G =15 V con 0.1V di ripple) e poi si usa il circuito a lato per stabilizzarla, scegliendo uno zener con V B =12V. L eccesso di tensione rispetto a 12V cadrà sulla resistenza R: la caratteristica così ripida dello Zener fa in modo che nel resistore cada una tensione di 3V con 0.1V di ripple, garantendo 12V costanti ai capi dello Zener. V G R V Z

69 Diodo Zener come stabilizzatore di tensione Un circuito di questo genere, comunque non garantisce che la tensione in uscita V Z rimanga costante quando si connette un utilizzatore, R C, all uscita. Questo succede solo se la corrente che scorre nel carico è molto inferiore alla corrente che scorre nello Zener. Altrimenti il partitore tra R e R C può ridurre la tensione ai capi dello Zener sotto alla tensione di breakdown, perdendo la stabilizzazione. La corrente massima che scorre nello Zener è limitata dal fatto che la dissipazione di potenza nello Zener deve essere inferiore a quella massima specificata dal costruttore (oltre si fonderebbe). Deve cioè essere V Z i<w max. Se servono correnti importanti nel carico, si deve utilizzare un regolatore di tensione, che utilizza uno Zener solo come riferimento, ma fa scorrere la corrente in uscita in un transistor. V G R V Z R C

70 Altre applicazioni del diodo Zener Il diodo Zener può essere usato come limitatore di segnali. Se si vuole che un segnale non superi un certo livello, si fa passare attraverso una cella costituita da una resistenza e uno Zener con tensione di breakdown pari al massimo livello di segnale desiderato. V(t) R V in «clipping» V in Z1 V out V B1 0.6V V out t

71 E un diodo realizzato con una giunzione p n molto sottile, in un contenitore trasparente. Quando il diodo è polarizzato direttamente gli elettroni di conduzione si ricombinano con le lacune, e l eccesso di energia viene rilasciato sotto forma di fotoni, che, dato il minimo spessore della giunzione, possono uscire dal cristallo. Si assiste così all emissione di luce, con lunghezza d onda c ch E dove E è la differenza di energia tra gli elettroni e le lacune. Per ottenere colori diversi si usano semiconduttori di tipo diverso (AlGaAs; GaAlP; GaAsP; GaN; GaP; ZnSe; InGaN; InGaAlP; SiC) Avviene anche il processo inverso: l arrivo di fotoni di energia sufficiente sulla giunzione può produrre una differenza di potenziale, ed il LED agisce come un fotodiodo (vedi dopo). Il diodo LED

72 Ponte di diodi con diodi LED 4 1 V out Durante la prima semionda conducono i diodi 1 e 3, perchè polarizzati direttamente, e quindi si accendono, mentre i diodi 2 e 4, polarizzati inversamente, non conducono e restano spenti. 3 2 R V in V out t t

73 Ponte di diodi con diodi LED 4 1 Durante la seconda semionda conducono i diodi 2 e 4, polarizzati direttamente, e quindi si accendono, mentre i diodi 1 e 3, polarizzati inversamente, non conducono e restano spenti. 3 2 R V out V in V out t t

74 Ponte di diodi con diodi LED Per vedere il fenomeno si deve impostare una bassa frequenza del generatore (1 2 Hz) Inoltre, siccome la corrente nei diodi è limitata dalla resistenza interna del generatore (R G =50) e dal carico R C, si deve scegliere l ampiezza della tensione sinusoidale in modo che non scorrano più di 15 ma nei diodi, altrimenti si bruciano. R G V G R C R G RC imax VLED V 2 G, max dove V LED è la tensione ai capi del LED usato quando va in conduzione, dell ordine di 1V.

75 Regione di deplezione Quando si saldano due cristalli di semiconduttore, uno drogato N e uno drogato P, si ottiene un diodo a giunzione PN. Il gradiente di concentrazione provoca una diffusione di lacune da P verso N e di elettroni da N verso P. I processi di diffusione non vanno avanti per molto, perchè si forma un doppio strato di cariche che genera un campo elettrico, che si oppone ad una ulteriore diffusione. Infatti gli elettroni che da N sono migrati verso P hanno lasciato gli ioni positivi dai quali sono stati originati nella regione N, mentre le lacune che sono migrate da P a N hanno lasciato delle cariche negative nella regione P. P 0.5m Ma gli elettroni che sono migrati in P hanno trovato lacune disponibili e si sono ricombinati, così come le lacune che da P hanno diffuso in N. Si forma così, dove sono avvenute le ricombinazioni, una regione di deplezione (verde in figura) dove non ci sono cariche disponibili per la conduzione. N

76 Fotodiodo La regione di deplezione è fotosensibile. Infatti, se su di essa incide un flusso di fotoni con energia sufficiente (maggiore dell energia di legame), ciascun fotone può strappare un elettrone esterno al suo atomo, creando una coppia elettrone lacuna. Se questo processo avviene nella regione di deplezione, a causa del campo di doppio strato ivi presente l elettrone viene attirato verso la regione N (catodo) mentre la lacuna viene attirata verso la regione P (anodo). Si forma così una corrente (fotocorrente), proporzionale al flusso di fotoni incidente. anodo P A causa di questo spostamento di cariche, si forma una piccola differenza di potenziale ai capi del fotodiodo, proporzionale al flusso di fotoni, che può essere amplificata e misurata (modo fotovoltaico). Nota: le celle fotovoltaiche non sono altro che fotodiodi con area molto grande. N catodo

77 Fotodiodo Il processo può essere aiutato polarizzando il fotodiodo inversamente (modo fotoconduttivo) anodo P N catodo Il campo elettrico addizionale dovuto alla batteria favorisce lo spostamento degli elettroni verso il catodo e delle lacune verso l anodo. Nel circuito scorre una fotocorrente proporzionale al flusso di fotoni, che può essere amplificata e misurata. Inoltre il campo elettrico addizionale aumenta lo spessore della regione di deplezione, aumentando l area sensibile e diminuendo la capacità del fotodiodo, quindi rendendolo più pronto a seguire le variazioni del flusso incidente di fotoni.

78 Fotodiodo PIN E realizzato aggiungendo una zona di cristallo non drogato (intrinseco), e quindi isolante, tra il cristallo drogato N (pesantemente) e quello drogato P (pesantemente). anodo P I N catodo Viene usato in modo fotoconduttivo, con una forte polarizzazione inversa. L area sensibile (I) è molto grande e il campo è forte, per cui questi diodi sono molto più sensibili alla luce. Alcuni usano l effetto valanga, nel senso che il campo elettrico forte accelera molto gli elettroni fotoprodotti, che possono raggiungere una energia cinetica sufficiente da ionizzare altri atomi che incontrano nel loro percorso, generando elettroni addizionali e quindi moltiplicando la corrente.

79 Fotodiodi Fotodiodo al Si Materiale Lunghezze d onda operative (nm) Silicio Germanio InGaAs Solfuro di Zinco < HgCdTe

80 Diodi come rivelatori di radiazione I diodi PIN vengono usati anche come rivelatori di radiazioni ionizzanti (raggi gamma, X, particelle energetiche), che passando nella regione I la ionizzano, producendo coppie elettrone lacuna e quindi un impulso di corrente. Polarizzati inversamente i diodi PIN hanno una bassa capacità e sono quindi abbastanza veloci (ns), e quindi adatti a misurare impulsi da radiazioni ionizzanti. Possono sostituire i tubi Geiger in alcune applicazioni. La carica generata è approssimativamente proporzionale all energia depositata dalla particella, che a sua volta dipende dall energia della particella. L istogramma degli impulsi di corrente permette quindi di ottenere lo spettro delle energie delle particelle ionizzanti sotto esame. 8keV : flourescenza X da un foglio di rame Segnale di calibrazione