Elettronica I Il diodo a giunzione

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1 Elettroica I Il diodo a giuzioe Valetio Liberali Diartimeto di Tecologie dell Iformazioe Uiversità di Milao, Crema liberali@dti.uimi.it htt:// liberali 18 arile 2008 Elettroica I Il diodo a giuzioe. 1 Programma Parte 6 6. Disositivi e circuiti elettroici. (a) I semicoduttori. (b) Il diodo a giuzioe. (c) Il trasistore biolare a giuzioe. (d) Il trasistore MOS. (e) La tecologia CMOS. (f) Porte logiche i tecologia CMOS. Elettroica I Il diodo a giuzioe. 2 1

2 Cariche elettriche i u semicoduttore I u semicoduttore, distiguiamo le cariche elettriche i: ortatori, cioè cariche libere: è la cocetrazioe di elettroi liberi (cariche egative) è la cocetrazioe di lacue (cariche ositive) cariche fisse, che soo gli atomi ioizzati del drogate: N A è la cocetrazioe di ioi di atomi accettori (cariche egative) N D è la cocetrazioe di ioi di atomi doatori (cariche ositive) I codizioi di eutralità, la somma algebrica è zero: N D N A = 0 Elettroica I Il diodo a giuzioe. 3 Correti i u semicoduttore I u semicoduttore, la correte è dovuta al movimeto di etrambi i tii di ortatori: elettroi liberi (cariche egative), e lacue (cariche ositive). Le lacue si muovoo el verso covezioale della correte, metre gli elettroi si muovoo el verso oosto. La correte totale è: I= I I dove I è la correte dovuta al movimeto degli elettroi, metre I è la correte dovuta al movimeto della lacue. Elettroica I Il diodo a giuzioe. 4 2

3 Correte di deriva La correte di deriva (i iglese: drift curret) è dovuta al movimeto dei ortatori er effetto di ua tesioe alicata. I u semicoduttore: gli elettroi liberi hao carica egativa, e si muovoo verso il olo ositivo del geeratore di tesioe alicato; le lacue hao carica ositiva, e si muovoo verso il olo egativo del geeratore di tesioe alicato. I ogi caso, la correte el semicoduttore è diretta dal termiale co tesioe ositiva verso quello co tesioe egativa. Elettroica I Il diodo a giuzioe. 5 Agitazioe termica (1/3) Normalmete, la velocità di deriva dei ortatori dovuta alla ua tesioe alicata è iccola risetto alla velocità di agitazioe termica dovuta alla temeratura. L eergia media di ua articella è 1 2kT, dove è il umero di dimesioi dello sazio i cui la articella si uò muovere, k è la costate di Boltzma (k= J/K) e T è la temeratura assoluta i kelvi (la temeratura ambiete è T= 300 K). Per u elettroe libero di muoversi i u volume (=3), uguagliado l eergia media all eergia cietica, si ha l equazioe: 3 2 kt=1 2 m ev 2 dove m e è la massa e v è la velocità. Elettroica I Il diodo a giuzioe. 6 3

4 Agitazioe termica (2/3) Nell equazioe: 3 2 kt=1 2 m ev 2 al osto della massa dell elettroe m e, bisogerebbe usare la massa efficace m e, che tiee coto ache delle iterazioi tra l elettroe e gli atomi del reticolo cristallio; ma il calcolo della massa efficace è molto comlicato e diede dalla struttura cristallia e dalla secie di atomi. Per semlicità, usiamo il valore della massa a rioso dell elettroe m e = kg, otteedo il valore arossimato: v 100 km/s Elettroica I Il diodo a giuzioe. 7 Agitazioe termica (3/3) La velocità di agitazioe termica degli elettroi v 100 km/s è molto elevata, ma ha ua direzioe casuale, diversa er ciascu elettroe, e che cambia i cotiuazioe, er cui il risultato è a media ulla (se il materiale è omogeeo). La velocità di deriva è molto miore, ma tutti i ortatori si muovoo ella stessa direzioe, er cui l effetto è erceibile. Se il materiale o è omogeeo, ma reseta differeze ella cocetrazioe dei ortatori, allora l agitazioe termica rovoca la correte di diffusioe. Elettroica I Il diodo a giuzioe. 8 4

5 Correte di diffusioe La correte di diffusioe è dovuta alla differeza di cocetrazioe dei ortatori elle diverse arti del materiale. Per effetto dell agitazioe termica, i ortatori si muovoo i direzioe casuale; di cosegueza, è iù robabile il movimeto di ortatori dalle zoe co cocetrazioe maggiore verso quelle co cocetrazioe miore. La correte di diffusioe degli elettroi liberi è diretta verso le zoe a maggiore cocetrazioe di elettroi (erché la carica è egativa). La correte di diffusioe delle lacue è diretta verso le zoe a miore cocetrazioe di lacue (erché la carica è ositiva). Elettroica I Il diodo a giuzioe. 9 Giuzioe giuzioe I ua struttura moocristallia i cui c è ua arte di silicio drogato e ua arte di silicio drogato, la suerficie di searazioe tra le due zoe si chiama giuzioe. Elettroica I Il diodo a giuzioe. 10 5

6 Diodo a giuzioe A aodo K catodo Il disositivo iù semlice realizzato co ua giuzioe è il diodo. Il termiale collegato alla regioe drogata è il termiale ositivo (aodo); quello collegato alla regioe drogata è il termiale egativo (catodo). Il diodo è u biolo NON simmetrico e NON lieare. Elettroica I Il diodo a giuzioe. 11 Prorietà della giuzioe (1/4) = elettroe = lacua Nel mometo i cui viee formata la giuzioe, er effetto della diffusioe, si verificao u movimeto di elettroi dalla zoa verso la zoa, e u movimeto di lacue dalla zoa verso la zoa. L aumeto di ortatori mioritari vicio alla giuzioe rovoca u aumeto del tasso di ricombiazioe tra elettroi e lacue. Elettroica I Il diodo a giuzioe. 12 6

7 Prorietà della giuzioe (2/4) cariche fisse regioe di svuotameto Per effetto della ricombiazioe, le cariche fisse degli atomi accettori e doatori o soo iù cotrobilaciate dai ortatori di sego oosto. Gli elettroi vicio alla giuzioe vegoo attirati dalle cariche fisse di sego ositivo (verso la zoa ); le lacue vicio alla giuzioe vegoo attirate dalle cariche fisse di sego egativo (verso la zoa ). Elettroica I Il diodo a giuzioe. 13 Prorietà della giuzioe (3/4) cariche fisse regioe di svuotameto Vicio alla giuzioe c è ua zoa comletamete riva di ortatori, detta regioe di svuotameto o regioe di carica saziale erché o è elettricamete eutra. Il suo comortameto è aalogo a quello di ua caacità (accumulo di cariche fisse seza ortatori e quidi seza assaggio di correte) caacità di giuzioe Elettroica I Il diodo a giuzioe. 14 7

8 Prorietà della giuzioe (4/4) A aodo K catodo V Ai cai della caacità di giuzioe c è ua tesioe V co sego oosto al sego dei termiali del diodo: questa tesioe imedisce ai ortatori liberi di attraversare la regioe di carica saziale. I queste codizioi, el diodo o assa correte. Elettroica I Il diodo a giuzioe. 15 Diodo olarizzato iversamete U diodo è olarizzato iversamete quado ai suoi cai è alicata ua tesioe discorde risetto ai segi dei termiali del diodo. La regioe di svuotameto si allarga erché i ortatori vegoo attirati dalla tesioe alicata. Elettroica I Il diodo a giuzioe. 16 8

9 Diodo olarizzato direttamete U diodo è olarizzato direttamete quado ai suoi cai è alicata ua tesioe cocorde risetto ai segi dei termiali. Se la tesioe è iccola, la regioe di svuotameto si restrige. Se la tesioe è grade, la regioe di svuotameto si aulla e il diodo coduce ua correte elevata. Elettroica I Il diodo a giuzioe. 17 Caratteristica tesioecorrete (1/3) Curret (A) Voltage (V) Il assaggio alla coduzioe è graduale: ( ) I D = I S e q 0 V D kt 1 )= I S (e V D VT 1 q 0 = C (carica dell elettroe); V T = kt q 0 26 mv alla temeratura ambiete T = 300K Elettroica I Il diodo a giuzioe. 18 9

10 Caratteristica tesioecorrete (2/3) I D diodo seto ("off") diodo i coduzioe ("o") V γ = 0.7 V V D Per la maggior arte dei roblemi ratici, la caratteristica esoeziale uò essere arossimata da ua caratteristica ideale: I D = 0 se V D < V γ off (seto) I D > 0 se V D = V γ o (acceso) dove V γ è la tesioe di soglia (circa 0.7 V er u diodo i silicio). Elettroica I Il diodo a giuzioe. 19 Caratteristica tesioecorrete (3/3) 1.5e 13 1e 13 Curret (A) 5e 14 0 I S 5e Voltage (V) Per valori egativi della tesioe V D, la correte è I D I S. Questa correte, detta correte iversa, è dovuta alla geerazioe di coie di ortatori ella regioe di svuotameto er effetto della temeratura: ifatti I S diede fortemete dalla temeratura e raddoia ad ogi icremeto di 10 K circa. Elettroica I Il diodo a giuzioe

11 Risoluzioe di circuiti co diodi La soluzioe esatta di u circuito co diodi richiede di risolvere u equazioe o algebrica coteete termii esoeziali (o logaritmici). Ivece, arossimado la caratteristica esoeziale co la caratteristica ideale, si ottiee u circuito descritto da u modello liearizzato che uò essere facilmete risolto el modo seguete: 1. Si fa u iotesi sul fuzioameto di ciascu diodo (OFF I D = 0; ON V D = V γ ). 2. Si risolve il circuito (sistema lieare). 3. Si verifica l iotesi (se il diodo è OFF deve risultare V D < V γ ; se il diodo è ON deve risultare I D > 0). 4. Se l iotesi è verificata er ciascu diodo, allora la soluzioe trovata è corretta. Altrimeti, si tora al uto 1 cambiado l iotesi. Elettroica I Il diodo a giuzioe. 21 Esercizio Gli elemeti del circuito i figura hao i segueti valori: V 0 = 5 V, R 1 = 10 kω, R 2 = 2.2 kω, e R 3 = 1.5 kω. Il diodo D è u LED i arseiuro di gallio e coduce, emettedo raggi ifrarossi, quado è olarizzato direttamete co tesioe V γ = 1.3 V. Si calcoli la correte el diodo, quado: A. il geeratore di correte I 0 eroga ua correte ulla; B. il geeratore di correte I 0 eroga ua correte ari a 3 ma. A V 0 R 1 R 2 I0R 3 D B Elettroica I Il diodo a giuzioe