Diodo a semicondu-ore

Transcript

1 Laboratorio di Segnali e Sistemi - Capitolo 2 - Diodo a semicondu-ore Claudio Luci last update : Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 1

2 I semicondu-ori ele-roni e lacune il drogaggio giunzione pn diodo Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 2

3 1/2 Click Semicondu5ori: to edit Master definizione /tle style q I semiconduttori hanno una resistività intermedia tra gli isolanti e i conduttori q Essi possono essere composti da una singola specie atomica della quarta colonna ( Si, Ge) oppure possono essere combinazioni degli elementi delle colonne III e V (ex: AsGa) q I primi diodi e transistor utilizzavano il germanio, ma ora si usa soprattutto il silicio (si veda la Silicon Valley!) N.B. La resistività dei semiconduttori dipende fortemente dalla temperatura. Allo zero assoluto essi si comportano come degli isolanti; mentre all aumentare di T la resistività diminuisce (al contrario dei conduttori dove la resistività aumenta con T). Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 3

4 2/2 Click to edit Master /tle style Livelli energe/ci degli ele5roni nei solidi q Banda di valenza: è la banda di energia più alta interamente occupata da elettroni. q Banda di conduzione: è quella di energia più bassa tra quelle non completamente occupate da elettroni. Gli elettroni sono liberi di muoversi liberamente all interno del solido quando si trovano nella banda di conduzione q Nei metalli la banda di valenza e quella di conduzione si sovrappongono, quindi essi sono dei buoni conduttori di elettricità. q Negli isolanti la banda di conduzione è vuota e la gap di energia tra le due bande è maggiore di 1.5 ev (limite inferiore per gli isolanti); nessun elettrone riesce a saltare in questa banda per via dell agitazione termica a temperatura ambiente. q Nei semiconduttori la gap di energia è più bassa (0.67 ev per il Ge e 1.12 ev per il Si), quindi qualche elettrone può raggiungere la banda di conduzione Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 4

5 1/3 Click to edit Master /tle style i semicondu5ori: legame covalente Un cristallo di silicio puro ha una struttura reticolare in cui gli atomi sono mantenuti in posizione da legami covalenti formati dai 4 elettroni di valenza che ogni atomo possiede. Rappresentazione bidimensionale di un cristallo di silicio. elettroni di valenza atomi di silicio legami covalenti q I cerchi rappresentano gli atomi di silicio. il +4 rappresenta la carica positiva neutralizzata dai 4 elettroni di valenza. q Ogni atomo forma 4 legami covalenti con i vicini. A T=0 K tutti i legami sono intatti e non vi sono elettroni liberi per la conduzione. Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 5

6 2/3 Click to edit Master /tle style i semicondu5ori: ele5roni e lagune q A temperatura ambiente alcuni legami covalenti si rompono per agitazione termica. q Ogni legame rotto da origine ad un elettrone libero e ad una lacuna. Entrambi contribuiscono alla conduzione nel semiconduttore. q Una lacuna è una mancanza di un elettrone in un legame covalente; essa può attrarre un elettrone da un atomo vicino, che a sua volta lascerà una carica positiva non bilanciata. Quindi la lacuna può spostarsi nel semiconduttore. elettroni di valenza elettrone libero q n = concentrazione (densità) degli elettroni liberi q p= concentrazione delle lacune lacuna + atomi di silicio Per un semiconduttore puro si ha: legami covalenti q n i = concentrazione intrinseca Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 6

7 3/3 Click to edit Master /tle style I semicondu5ori: densità di corrente La concentrazione intrinseca è funzione della temperatura. Essa è pari a: n i 2 = BT 3 e E G K B T B dipende dal materiale (B=5.4x10 31 per il silicio) E G = larghezza banda proibita (E G =1.12 ev per il silicio) K B = costante di Boltzmann (8.62x10-5 ev/k) Silicio a temperatura ambiente: n i = portatori/cm 3 ρ! atomi/cm 3 [densita'] Solo una piccolissima frazione degli atomi risulta ionizzata. Se applichiamo un campo ele-rico esterno al cristallo, le cariche ele-riche libere vengono accelerate e acquisiscono una velocità di drim v d (nella direzione del campo) proporzionale all intensità del campo ele-rico e della mobilità μ (diversa per le lacune e per gli ele-roni). Le lacune si muovono nel verso posirvo del campo e gli ele-roni nel verso negarvo. lacune: v d,p = µ p E ; µ p = 480 cm2 V s elettroni: v = µ E ; µ cm2 = 1350 d,n n n V s La corrente ele-rica complessiva è data dal contributo di entrambi i Rpi di portatori: densita' di corrente: J = q( p v d,p + n v d,n ) = q( p µ p + n µ n ) E = qn i ( µ p + µ n ) E J = σ E σ = qn i ( µ p + µ n ) [conducibilita'] σ = σ(t) [aumenta con T] Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 7

8 1/2 Click i semicondu5ori: to edit Master drogaggio /tle style q Inseriamo nel semicondu-ore delle impurezze. q Atomi pentavalenr (arsenico, fosforo, anrmonio): donatori, drogaggio di /po n. q Atomi trivalenr (boro, indio, gallio, alluminio): acce5ori, drogaggio di /po p. q I donatori hanno un ele-rone che non partecipa al legame covalente e può facilmente passare nella banda di conduzione, senza creare una lacuna nel rercolo. q In maniera analoga agli acce-ori manca un ele-rone per completare il legame covalente, quindi di fa-o introducono una lacuna nel rercolo. q n = concentrazione (densità) degli ele-roni q p= concentrazione delle lacune q Per un semicondu-ore drogato n p, tu-avia vale la relazione (legge di azione di massa): n p=n i 2 q n i = concentrazione intrinseca q Un aumento della concentrazione di un Rpo dovuta alle impurezze provoca una diminuzione della concentrazione dell altro Rpo Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 8

9 2/2 Click i semicondu5ori: to edit Master drogaggio /tle style q In genere la concentrazione dovuta alle impurezze è molto maggiore della concentrazione intrinseca (dello stesso Rpo di carica); q Esempio con i donatori. Indichiamo con N D la concentrazione dei donatori, se introduciamo un impurezza per ogni cinquecentomila atomi di Silicio, abbiamo: n! N D p! n 2 i ( ) 2 N se N! D 1017 cm 3 p! D = cm 3 q Ele-roni: portatori maggioritari (n=10 17 cm -3 ) q lacune: portatori minoritari (p=10 3 cm -3 ) q Da notare, in questo caso, che n è indipendente dalla temperatura ma dipende solo dal drogaggio, mentre p dipende da T perché n i è funzione della temperatura. q Il semicondu-ore rimane comunque globalmente neutro perche le cariche libere (maggioritarie e/o minoritarie) sono compensate dalle cariche fisse degli atomi ionizzar. Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 9

10 1/5 Click Semicondu5ori: to edit Master giunzione /tle style pn Mebamo in conta-o due regioni, una con drogaggio di Rpo p e l altra di Rpo n E V 0 All'equilibrio I D = I S q Corrente di diffusione I D : A causa della diversa concentrazione delle impurezze di Rpo p o n di un lato rispe-o all altro, gli ele-roni inizieranno a diffondere dal lato n verso p e le lacune in verso opposto, dando luogo ad una corrente di diffusione I D ; q Regione di svuotamento: gli ele-roni che migrano dalla zona n, lasciano un eccesso di carica posirva, e lo stesso dicasi per le lacune. Si crea una regione di svuotamento priva di portatori di carica maggioritari liberi. q Barriera di potenziale V 0 : a causa delle cariche ele-riche in eccesso si forma un campo ele-rico che si oppone al passaggio di altre cariche. q Corrente di deriva (drih) I S (de5a anche di saturazione): nella regione n vi sono anche delle cariche minoritarie (lacune p) e nella regione p vi sono degli ele-roni. Quando queste cariche si avvicinano alla regione di svuotamento, a causa del campo ele5rico passano nell altra regione. Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 10

11 2/5 Click Semicondu5ori: to edit Master giunzione /tle style pn V T = [ev /K ] 300[K ] 25 mv 1 e Importante nel transistor Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 11

12 3/5 Click to edit Master /tle style giunzione pn polarizzata inversamente Colleghiamo ora alla giunzione un generatore esterno V R come in figura (posirvo sulla zona n): E q Corrente di diffusione I D : La tensione esterna si aggiunge alla barriera di potenziale; è sufficiente un piccolissimo valore di V R per annullare completamente la corrente di diffusione: I D 0. q Corrente di deriva (drih) I S (de5a anche di saturazione): la corrente di deriva è dovuta ai portatori di carica minoritari e non è influenzata dalla tensione esterna ma dipende solo dalla temperatura. q Corrente totale: in queste condizioni la corrente totale che a-raversa la giunzione è uguale a: I=I S I D I S q La regione di svuotamento si allarga al crescere di V R V 0 C S = ε S A W S (dell'ordine dei pf) q Il doppio strato ha una capacità che dipende da V R ; q Aumentando V R ( V) la giunzione si rompe Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 12

13 4/5 Click to edit Master /tle style giunzione pn polarizzata dire5amente Colleghiamo ora alla giunzione un generatore esterno V R come in figura (posirvo sulla zona p): E q Corrente di diffusione I D : La tensione esterna diminuisce la barriera di potenziale, quindi la corrente ID, dovuta alla diffusione dei portatori maggioritari a-raverso la barriera, aumenta. q Corrente di deriva (drih) I S (de5a anche di saturazione): la corrente di deriva dovuta ai portatori di carica minoritari non cambia (dipende solo da T). q Corrente totale: la corrente totale che a-raversa la giunzione va da p a n; il suo valore dipende dalla tensione V F : I=I D I S V 0 q Quando V F supera V 0 la barriera è completamente annullata e la giunzione si comporta approssimarvamente come un condu-ore. La corrente si può esprimere come: Anche nel caso di polarizzazione dire-a si ha una capacità della giunzione, che èun ordine di grandezza più grande rispe-o al caso precedente η 2 q η è un fa-ore empirico che dipende dal materiale. Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 13

14 5/5 Click to edit Master /tle style Equazione della corrente nella giunzione L equazione precedente può descrivere la corrente sia per la polarizzione dire-a che inversa: Polarizzazione dire-a: V posirvo Polarizzazione inversa: V negarvo V T 25 mv a T=300 K Regione di breakdown I diodi Zener lavorano in questa regione in modo da avere ai loro capi sempre la stessa tensione per qualunque corrente li a-raversi I! V Da questo grafico si capisce come possiamo sfru-are queste proprietà della giunzione per costruire un disposirvo che faccia passare la corrente solo in una direzione. Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 14

15 1/3 Click to edit Diodo Master ideale /tle style Il diodo ideale è un disposirvo che lascia passare corrente solo in un senso, con resistenza nulla, e non lascia passare corrente nell altro senso. Il diodo a giunzione approssima molto bene un diodo ideale. Cara-erisRca diodo ideale Circuito con un diodo ideale V o =0 V o =V i V i < 0 V i > 0 I=0 ΔV=0 Il diodo NON è un disposirvo lineare La semionda negarva è stata tagliata Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 15

16 2/3 Click Circuito edit con Master diodo /tle reale style Analizziamo lo stesso circuito usando la cara-erisrca del diodo reale. V i =V D +R i i Eq. retta di carico V i R i i=f(v D ) Caratteristica del diodo Punto di lavoro Retta di carico i=f(v D ) Caratteristica del diodo V D Si può risolvere il sistema per via grafica V i Per risolvere il sistema in via analirca occorre fare delle approssimazioni per la cara-erisrca del diodo. Ad esempio: Prima esercitazione Ricavare la cara-erisrca del diodo (variando V i e/o R). Provare a ricavare R F dal grafico V γ 0.6 V Oppure, come nel caso della V BE del BJT V γ 0.7 V e R F = 0 Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 16

17 3/3 Click to edit Master /tle style Raddrizzatore a singola semionda Vediamo un esempio di urlizzo del diodo, ovvero come converrre un segnale alternato in un segnale conrnuo: q Semionda posi/va: Il diodo lascia passare la corrente e il condensatore si carica; q Semionda nega/va: il diodo non lascia passare la corrente e si comporta di fa-o come un circuito aperto. Il condensatore si scarica sulla resistenza R con una costante di tempo pari a RC. q Nuova semionda posi/va: se la costante di tempo τ=rc è molto maggiore del periodo T della sinusoide, il condensatore non farà in tempo a scaricarsi e tornerà a caricarsi di nuovo, e così via. q Inconvenien/: Ø non si sfru-a la semionda negarva, quindi si urlizzano altri circuir, Rpo il ponte dei diodi; Ø rimane comunque un segnale periodico sovrapposto al segnale conrnuo, quindi occorrono dei filtri (passa basso) per eliminarlo. Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 17

18 Click to edit Master End /tle style Fine del capitolo 2 Claudio Luci Laboratorio di Segnali e Sistemi Capitolo 2 18