IL DIODO. Il moltiplicatore di tensione: Cockroft-Walton Transiente Stato stazionario Alta impedenza di carico

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1 IL DIODO RIASSUNTO: Semiconduttori Drogaggio N e P La giunzione p-n Diodo polarizzato in diretta/inversa Caratteristica I(V) Raddrizzatori a singola semionda a doppia semionda Il moltiplicatore di tensione: Cockroft-Walton Transiente Stato stazionario Alta impedenza di carico 1

2 Conduttori e semiconduttori Nei conduttori, già a temperatura ambiente gli elettroni sono liberi di muoversi. Nei semiconduttori, invece, la temperatura ambiente non è sufficiente a permettere loro di rompere i legami (covalenti) che li legano al reticolo cristallino. Solo pochi elettroni riescono a staccarsi dal reticolo, lasciando un posto vuoto che può essere occupato da un altro elettrone. In queste condizioni, i semiconduttori si dicono intrinseci. 2

3 Drogaggio dei semiconduttori Per modificare la conducibilita di un semiconduttore si effettua il cosiddetto drogaggio: vengono inserite nel cristallo quantita controllate di impurità di un elemento a valenza diversa. Se si inserisce un elemento di valenza maggiore, rimane un elettrone spaiato libero di circolare: gli elettroni liberi sono in grado in questo modo di garantire la conduzione. Si parla di drogaggio di tipo n. In corrispondenza dell atomo drogante, si ha un eccesso di carica positiva 3

4 Drogaggio di tipo p Se si inserisce un elemento a valenza minore, rimane un posto libero per un elettrone, che può essere occupato da un elettrone degli atomi vicini: si crea allora una lacuna o buca, che si sposta nel cristallo In questo modo, la conduzione è assicurata dagli elettroni che vanno a riempire le buche libere. Si parla di drogaggio di tipo p. Nei semiconduttori di tipo p, la conduzione viene descritta come se esistesse un flusso di buche, ovvero portatori di carica positivi. In corrispondenza dell atomo drogante, si ha un eccesso di carica negativa. 4

5 Caratteristiche del drogaggio Solitamente, il drogaggio avviene in piccole dosi: la densità del cristallo di silicio è di circa atomi/cm 3, mentre le concentrazioni del drogante vanno da a atomi/cm 3. Vale la cosiddetta legge di azione di massa: se n è la densità degli elettroni spaiati e p la densità delle lacune, allora a temperatura ambiente il prodotto tra questi due numeri è costant e vale: n p = (1/ cm ) 2 5

6 Un po di numeri... Per un cristallo puro n=p e quindi n = p portatori / cm Per un cristallo drogato N, con n d atomi per cm 3, allora n=n d e quindi p= /n d. Ad es.: n d , n 10, p 2 Per un cristallo drogato P, allora con n a atomi per cm 3, allora p=n a e quindi n= /n a 10 5 n a , n 2 10, p

7 Il diodo Un diodo si ottiene ponendo a contatto un semiconduttore di tipo N con uno di tipo P, realizzando la giunzione. Il contatto non è puramente meccanico: si tratta spesso di un unico cristallo drogato in successione con due diverse concentrazione di droganti. Gli elettroni liberi del semiconduttore n in prossimità della zona di contatto si precipitano ad occupare le buche del semiconduttore P: in questo modo, il semiconduttore N si carica positivamente e quello P negativamente. Si forma quindi un campo elettrico diretto da N a P che si oppone ad un ulteriore passaggio di elettroni:nella zone della giunzione si forma una zona isolante detta zona di svuotamento (non ci sono portatori di carica). anodo catodo 7

8 Diodo polarizzato direttamente Applicando una d.d.p. positiva al semiconduttore di tipo P le lacune vengono respinte, e si dirigono verso la zona di svuotamento. Analogamente fanno gli elettroni nel semiconduttore N. La zona di svuotamento si assottiglia, fino a che, in corrispondenza di una tensione di soglia Vs, si riempe completamente ed una corrente comincia a scorrere nel diodo. Il diodo si dice allora polarizzato direttamente 8

9 Diodo polarizzato inversamente Se invece la d.d.p. positiva viene applicata al semiconduttore N, allora elettroni e lacune si allontanano ulteriormente dalla zona di svuotamento, che si ispessisce: il diodo rimane isolante, a meno di una piccola corrente detta corrente oscura. 9

10 Curva caratteristica del diodo Il modello teorico del funzionamento del diodo porta ad una relazione tensione corrente del tipo: I ev ηkt = I 1 0 e La quantità I 0 corrisponde alla corrente che si ottiene per una forte polarizzazione inversa: è la corrente oscura del diodo. E dell ordine del na. La presenza del fattore kt mostra come la conduzione del diodo sia un fenomeno dipendente dalla temperatura. Se T aumenta, l esponenziale diminuisce, quindi la corrente aumenta: infatti cresce il numero dei portatori in grado di staccarsi dal reticolo. A temperatura ambiente, kt=1/40 evolt Il coefficente η dipende dalle caratteristiche del materiale: nel diodo al silicio, vale circa 2. 10

11 Grafico della caratteristica I punti blu mostrano le misure effettuate in laboratorio durante il secondo semestre del corso. La curva verde è un fit esponenziale. 11

12 Il concetto di retta di carico. Si consideri un circuito come quello in figura: La corrente che scorre nel circuito è legata alla tensione fornita dal generatore e a quella ai capi del diodo dall equazione della maglia. Inoltre la tensione ai capi del diodo e la corrente che scorre in esso sono legate dalla caratteristica: V V0 RI V = I = 0 d d 0 I d ev d ηkt = I0( e 1) d V R d Nel piano V d, I d, la prima equazione rappresenta una retta che intercetta le ordinate nel punto V 0 e di pendenza -1/R. L intersezione tra questa retta e la curva caratteristica fornisce i valori di tensione e corrente cercati. 12

13 Modello lineare a tratti Il modello più semplice del comportamento del diodo si ottiene supponendo che la resistenza diretta sia nulla mentre quella inversa sia infinita. Questo modello non è adatto per i calcoli, ma fornisce una guida per comprendere il comportamento di un circuito tenendo conto della presenza della tensione di soglia V s, pari a V: I V s V V < V I = 0, V = V I > s s 0 Nella pratica, si usa schematizzare il diodo come una resistenza R d, molto piccola (~10 Ω), quando è polarizzato direttamente, ed R i molto grande (centinaia di kω) quando è polarizzato inversamente. Ai capi del diodo in diretta si ha la caduta di tensione Vs in aggiunta alla caduta di tensione ai capi di Rd: s i s ( V V ) s / Rd, Ri Rd V < V I = V/ R, V > V I = >> 13

14 Altri tipi di diodi Il diodo Zener: aumentando la tensione inversa, esiste un punto in cui il diodo diventa istantaneamente conduttore. Questo effetto è detto effetto (breakdown) Zener. Questo porterebbe alla bruciatura del diodo, ma è possibile sfruttare la caratteristica per costruire degli stabilizzatori di tensione Diodo LED (light emittiting diode): sono diodi in cui la corrente provoca emissione di luce. Analogamente, è possibile produrre luce coerente (diodi laser), o microonde (diodi Gunn). Diodo varicap: utilizza il diodo polarizzato inversamente come un condensatore. Variando la tensione è possibile variare la capacità. Rivelatori di radiazione: la corrente inversa è proporzionale alla radiazione incidente. Un caso particolare sono i fotodiodi, o i diodi Schottky che funzionano nel regime delle microonde. 14

15 Il raddrizzatore a singola semionda (I) Il circuito raddrizzatore serve per trasformare una tensione alternata in una continua. R c C Il condensatore si carica attraverso il diodo, di resistenza diretta R d, con un tempo scala dell ordine di CR d, e si scarica sul carico, di resistenza R c con un tempo CR c, molto maggiore del tempo di carica: quindi, in corrispondenza dei massimi della tensione, il condensatore si carica istantaneamente, mentre quando la tensione in ingresso diventa negativa, ed il diodo smette di condurre, il condensatore si scarica lentamente sul carico. Se il carico è piccolo, il condensatore si scarica molto tra un massimo e l altro, e la tensione fluttua molto, se invece è grande, le fluttuazioni ( ripple ) risultano ridotte. 15

16 4V Raddrizzatore I R c =10kΩ No C 20 ms Ripple R c =10kΩ C = 1 uf in // a R c 16

17 Raddrizzatore a ponte (II) Per diminuire le fluttuazioni, è possibile utilizzare un circuito a ponte, detto raddrizzatore a doppia semionda, che trasforma le semionde negative in semionde positive A V A >V B V A <V B D R c C B I raddrizzatori erano adoperati nei circuiti di alimentazione degli apparecchi elettrici per trasformare la tensione alternata di rete in quella continua necessaria al funzionamento dell apparecchiatura. 17

18 4V Raddrizzatore II Caduta di tensione ai capi di: R c =10kΩ No C Ripple 20 ms Caduta di tensione ai capi di: R c =10kΩ C = 1 uf in // a R c 18

19 L acceleratore elettrostatico: Cockrof-Walton H.T. Electrode 2nV 0 n=3 Stadi H.T. V 0 19

20 Il moltiplicatore di tensione: Crokroft-Walton banco di SX banco di DX G : 6V 0 [4V 0,6V 0 ] : D F : 4V 0 Uscita H.T. [2V 0,4V 0 ] : C [0,2V 0 ] : B E : 2V 0 GND Carico A : [-V 0,V 0 ] I stadio Ingresso: V 0 sin(2πft) Circuito simulato con SPICE 20

21 Funzionamento I stadio Inizialmente la carica su C1 (banco di sx) e nulla, come la ddp ai suoi capi. Il generatore fa oscillare tra [-V 0,V 0 ] la tensione del punto A Il diodo D1 entra in conduzione (caricando C1) quando la tensione del punto B scende sotto tensione nulla (in realta meno la tensione di soglia Vs). La carica rimane sulle armature del condensatore C1 perche la scarica (quando la tensione di B > 0) trova il diodo in inversa (circuito aperto). Il punto B quindi compie oscillazione in tensione di ampiezza e frequenza uguale a quelle del punto A, ma a partire dalla tensione nulla (a meno di Vs) [0, 2V 0 ]. Anche sul condensatore C4 (banco di dx) inizialmente la carica e nulla. Essendo l estremita inferiore a massa, il diodo D2 iniettera carica sulla sua armatura in modo da alzare il potenziale di VE fino al livello di VB (sempre a meno di Vs). Per quanto detto prima al massimo VB = 2V 0 e quindi VE = 2V 0 fissa perche quando VB cala sotto il suo valor massimo la carica rimane su C4 (D2 va in inversa, circuito aperto). Allo stato stazionario: VB oscilla tra [0, 2V 0 ]. VE fissa a 2V 0 21

22 Tensioni per RLOAD infinita D C B G F E A 22

23 Ripple all uscita HT R LOAD =infinito V ripple ~ 5 mv G 23

24 HT connesso a Rload=660kΩ Transiente 24

25 HT connesso a Rload=660kΩ Stato stazionario D C B G F E A 25

26 HT connesso a Rload=660kΩ Ripple all uscita dell HT R LOAD =660kOhm V ripple ~0.8 V G 26

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