Testo di riferimento: Millman-Grabel MICROELECTRONICS McGraw Hill Cap. 1: 1,2,3,4 Cap. 2: 1,2,3,4,6,7,8,(9,10). Cap. 3: 1,2,4,5,6,8,9,10.

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Viola Rosi
7 anni fa
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1 Esperimentazioni di Fisica 3 AA Semiconduttori Conduzione nei semiconduttori Semiconduttori intrinseci ed estrinseci (drogati) La giunzione pn Il diodo a semiconduttore Semplici circuiti con diodi Il transistor a giunzione Il transistor come amplificatore Configurazioni fondamentali del transistor Testo di riferimento: MillmanGrabel MICROELECTRONICS McGraw Hill Cap. 1: 1,2,3,4 Cap. 2: 1,2,3,4,6,7,8,(9,10). Cap. 3: 1,2,4,5,6,8,9,10...

2 Bande di conduzione e di valenza nella materia solida La materia solida è formata da atomi organizzati in un reticolo (struttura microcristallina). Gli atomi si legano tra loro attraverso gli elettroni di valenza (i più esterni) Si 2 6 posti

3 La formazione delle bande energetiche nei solidi Elettroni di valenza Banda: di conduzione proibita di valenza

4 Energia Classificazione dei solidi Banda di conduzione Banda proibita GAP E g Banda di valenza Isolante Metallo Semiconduttori alla temperatura ambiente Legenda: Banda vuota Banda piena Banda parzialmente riempita

5 La conduzione elettrica Moto degli elettroni di conduzione E=0 u E u E u : velocità di deriva Mobilità u E ; 2 cm V s E 0 ut S I Nq n( u t S) q t t qnus j I S qnu qn E 1 2 E E ( A/ m )

6 Legge di Ohm La conduzione elettrica j 1 2 E E ( A/ m ) Materiale Resistività (Ω cm) argento 1.62 x 10 6 rame 1.69 x 10 6 alluminio 5.25 x 10 6 Materiale Resistività (Ω 300K silicio puro 2.3 x 10 5 germanio puro 4.3 x 10 1 Vetro ~ 10 10

7 La conduzione nei metalli Nei metalli i portatori di carica liberi sono solo gli elettroni, per cui la densità di corrente si scrive: j qnud qne E A/ m 2 u d E m/ s n: densità di portatori (elettroni) disponibili per la conduzione ~ cm 3 u d : velocità di deriva dei portatori (elettroni) σ: conduttività del materiale ~ 10 5 (Ω cm) 1 µ: mobilità dell elettrone ~ 500 cm 2 (Vs) 1

8 Semiconduttori intrinseci (Si) Resistività Ω cm Resistività Cu Ω cm Proprietà Valore Numero atomico 14 Elettroni di valenza 4 Atomi per cm E 300K (ev) 1.12 Conc. intr.@ 300K (cm 3 ) K 1/Ωcm

9 Energia Le LACUNE sono portatori di carica positiva nei semiconduttori E E g Campo elettrico Banda di conduzione L elettrone si muove con la sua mobilità E g La mancanza di un elettrone è simulata da una carica positiva detta buca o lacuna Elettroni Banda di valenza La lacuna si muove con la sua mobilità in senso opposto agli elettroni

10 Portatori di carica nei semiconduttori Nei semiconduttori sia gli elettroni sia le lacune contribuiscono, indipendentemente, alla conduzione. I meccanismi cui sono soggetti elettroni e lacune nel reticolo sono differenti e di conseguenza le mobilità dei due tipi di portatori sono differenti.

11 La corrente elettrica nei semiconduttori Carica dell elettrone Campo elettrico j q( n p ) E n p Concentazione di elettroni Concentazione di lacune Mobilità delle lacune Mobilità degli elettroni Nei semiconduttori i portatori di corrente sono sia gli elettroni sia le lacune

12 La corrente di diffusione Nei semiconduttori ci può essere un accumulo di portatori (elettroni o lacune): la densità dei portatori dipende dalla coordinata. Ad esempio per le lacune p=p(x) p(x) x Il numero dei portatori che attraversano una sezione ideale del semiconduttore, nel senso che va dalla concentrazione più alta a quella più bassa è maggiore di quelli che vanno in senso inverso. Questo fenomeno definisce la corrente di diffusione, la cui espressione è (per le lacune): (dettagli) j qd p dp dx D: coefficiente di diffusione

13 La corrente di diffusione (cont.) Per gli elettroni l espressione della corrente di diffusione ha il segno opposto perché gli elettroni hanno carica negativa: j qd n dn dx In generale le correnti di lacune ed elettroni in un semiconduttore saranno la somma della corrente di deriva e di quella di diffusione: j j p n q p qn n p E E D D n p dp dx dn dx

14 Semiconduttori intrinseci I semiconduttori puri (intrinseci) sono pessimi conduttori a temperatura ambiente. Esempio. Resistenza a 300 K di: (Tabella resistività) 2 mm Si 100 µm 1 mm S R l Resistenza per il rame 5 cm cm cm R cm cm cm

15 Semiconduttori estrinseci o drogati Inserendo delle impurità nel semiconduttore (atomi diversi da quelli che lo formano) la sua conducibilità elettrica può cambiare sensibilmente. Un semiconduttore nel quale sono inserite delle impurità viene detto estrinseco o drogato. La frazione di atomi sostituiti tipicamente è compresa nell intervallo Il drogaggio può essere fatto in due modi: Con atomi pentavalenti (donori) Con atomi trivalenti ( accettori)

16 Semiconduttori drogati di Tipo n Drogati con atomi pentavalenti (Antimonio, Fosforo e Arsenico) diventano semiconduttori di tipo n Silicio elettrone libero Impurezza pentavalente

17 Semiconduttori drogati di Tipo p Drogati con atomi trivalenti (Boro, Gallio e Indio) diventano semiconduttori di tipo p Silicio lacuna Impurezza trivalente

18 Semiconduttori drogati Le impurezze aggiunte al semiconduttore sono tutte ionizzate (E=0.05eV) quindi contribuiscono alla conduzione La concentrazione delle impurezze è dell ordine di 1 atomo (donore o accettore) per 10 8 atomi di semiconduttore. Quindi la concentrazione di portatori dovuti alle impurezze è: 5x10 14 cm 3 questo numero va confrontato con la concentrazione intrinseca 1.5x10 10 cm 3 : 10 4 volte più piccola! (La conduttività è 0.1 (Ω cm) 1 )

19 Legge di azione di massa In un semiconduttore, intrinseco o drogato, avvengono i seguenti fenomeni: 1. sono create in continuazione coppie elettrone lacuna con una velocità C che dipende dalla temperatura:=c(t) 2. ogni volta che un elettrone e una lacuna si incontrano avviene un fenomeno di annichilazione o ricombinazione ed entrambi i portatori scompaiono (in realtà l elettrone non scompare ma assume una posizione fissa nel cristallo e non è più disponibile per la conduzione). Indichiamo con R il numero di queste ricombinazioni nell unità di tempo; R dipenderà sia dalla temperatura sia dal prodotto delle concentrazioni di elettroni (n) e lacune (p) : R= n p f(t) 3. All equilibrio la creazione di coppie e la loro ricombinazione dovranno essere uguali: R= C, per cui il prodotto np dipende solo dalla temperatura e non dal drogaggio. Potremo quindi uguagliare np a n i 2 dove n i è la concentrazione del semiconduttore intrinseco. 4. La legge di azione di massa di esprime quindi come: 2 np n i

20 La giunzione pn tipo p tipo n diffusione delle buche nella zona tipon e ricombinazione diffusione degli elettroni nella zona tipop e ricombinazione lacune Impurezze trivalenti elettroni Zona di svuotamento (depletion region) Impurezze pentavalenti

21 La giunzione pn tipo p tipo n Si ottiene giustapponendo due semiconduttori uno di tipo p e l altro di tipo n 2 d V 2 dx x ( x') E( x) dx' w p Barriera di potenziale

22 applet giunzione pn nd/applets/education/pn/pnformation/pnf ormation.html

23 Corrente di diffusione T 0 u: velocità media dei portatori t : tempo di collisione l: cammino libero medio u j j p n p, leftright p, right left 1 u 2 1 u 2 p( l) p( l) p lu l t p, leftright p( l) p( l) 2l p(x) p, right left dp( x) lu dx l 0 l x 1 2 u[ p( l) dp( x) dp ( x) qlu Dp dx dx corrente di diffusione lacune dn( x) dn ( x) qlu Dn dx dx corrente di diffusione elettroni p( l)]

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