ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA (C.I.) Modulo di Elettronica. Lezione 6. a.a
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1 32586 ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA (C.I.) Modulo di Elettronica Lezione 6 a.a
2 Diodo + Il diodo è un bipolo, passivo, nonlineare la cui funzione ideale è quella di permettere il flusso di corrente in un verso e di bloccarla nell'altro. Il diodo è un concetto circuitale. Nella larga maggioranza dei casi, si tratta di un dispositivo a semiconduttore, poiché per realizzare il proprio funzionamento sfrutta le capacità fisiche di questa categoria di materiali
3 Semiconduttore Un conduttore elettrico è un elemento fisico in grado di far scorrere al suo interno la corrente elettrica con facilità. I conduttori sono caratterizzati dalla presenza di elettroni liberi nella banda di valenza degli atomi del reticolo cristallino Un isolante elettrico, o dielettrico, è un elemento fisico la cui conducibilità elettrica (inverso della resistività) è estremamente bassa (in alcuni casi si può supporre nulla) Un semiconduttore è un elemento fisico che presenta resistività / conducibilità intermedia tra i conduttori e gli isolanti.
4 Modello a Bande In un isolante e un semiconduttore, l'ultima banda riempita di elettroni si definisce banda di valenza. La prima banda lasciata vuota si definisce invece banda di conduzione. L'intervallo di energie fra la banda di valenza e quella di conduzione si definisce banda proibita (band gap). I semiconduttori sono elementi fisici solidi la cui banda proibita è abbastanza piccola da far sì che si possa osservare statisticamente una conduzione non trascurabile (comunque inferiore a quella dei conduttori, ma superiore a quella degli isolanti) dovuta al passaggio dei portatori di carica dalla banda di valenza (piena) a quella di conduzione per eccitazione termica
5 Semiconduttori Drogati P/N I semiconduttori estrinseci o drogati sono semiconduttori ai quali vengono aggiunte impurità tramite il processo di drogaggio: Piccole percentuali di atomi diversi aumentano le proprietà di conduzione del semiconduttore: i semiconduttori intrinseci, hanno legami tetravalenti (ogni atomo è legato ad altri quattro atomi dello stesso tipo nel reticolo cristallino) a causa della presenza di quattro elettroni di valenza negli atomi (silicio, germanio) del semiconduttore. Aggiungendo atomi pentavalenti cioè che hanno cinque elettroni di valenza dentro il conduttore (fosforo, arsenico, antimonio) si ha un aumento di elettroni di conduzione: questo tipo viene chiamato drogaggio di tipo n Aggiungendo atomi trivalenti cioè che hanno tre elettroni di valenza nei livelli energetici più esterni (boro, gallio, indio), questi attraggono gli elettroni liberi in modo da stabilizzarsi. L'assenza di elettroni all'interno del reticolo cristallino del semiconduttore rappresenta una presenza di una carica positiva, detta lacuna che viaggia entro il conduttore esattamente come l'elettrone (ovviamente tenendo conto della carica). Questo viene chiamato drogaggio di tipo p.
6 Giunzione PN P N Il diodo è normalmente composto da semiconduttore (silicio) in cui due regioni sono drogate con due diversi tipi di impurità. Da un lato un drogante di tipo N, che libera cioè elettroni nella struttura del semiconduttore Dall altro lato un trogante di tipo P, che inserisce latenze, ossia assenza di elettroni nella struttura del semiconduttore Nonostante la presenza di cariche negative e positive libere nella struttura cristallina del semiconduttore, in condizione di riposo il dispositivo è elettricamente neutro, e non si manifestano correnti
7 Giunzione PN Attorno alla giunzione, elettroni e lacune si diffondono nella regione confinante (e in P, l+ in N) Si genera così una carica positiva in N, ed una carica negativa in P. Questo porta ad un campo elettrico, che si oppone ad una ulteriore diffusione di cariche attraverso la giunzione.
8 Giunzione PN P N + Polarizz. diretta + Polarizz. inversa Applicando una tensione V al bipolo, si hanno due comportamenti opposti: Polarizzazione Inversa: Se Il campo elettrico imposto è nella direzione del campo esistente, rinforza l effetto precedente: la zona di svuotamento (depletion) si allarga, elettroni sono trascinati via dalla regione N verso la regione P, e lacune vengono trascinate da P a N. Non esistono portatori di carica che possano portare corrente attraverso la giunzione, e il diodo rappresenta una Resistenza pseudoinfinita opponendosi al flusso di corrente. Polarizzazione Diretta: Se il campo elettrico è imposto nella direzione opposta, elettroni e lacune vengono forzati ad attraversare la giunzione, cancellando il campo elettrico attorno alla stessa. L area della regione di svuotamneto diminuisce, nuovi elettroni e lacune vengono iniettati dai morsetti, e la corrente aumenta in modo molto rapido all aumentare della tensione
9 Caratteristica del diodo + Caratteristica I(V) del diodo ideale (Equazione di Shockley): Id = VD Is* [ EXP( ) 1] NVt Is = Corrente di Saturazione ( :10 15 ) Vt = Tensione Termica ( K ) N = Coefficiente di emissione ( 2 : 1) Vt = qt K
10 Caratteristica del diodo Reale I 0 Corrente di saturazione inversa, dovuta ai portatori di carica minoritari V Z Tensione di Rottura
11 Modello del Diodo a piccoli segnali La caratteristica del diodo è NON LINEARE. Di conseguenza, non possiamo applicare a un circuito a diodi le leggi che regolano i sistemi lineari. Ma supponendo di lavorare in un intorno di un determinato punto di lavoro del diodo, possiamo valutare cambiamenti di tal punto di lavoro, nell ipotesi che questi cambiamenti siano limitati ad una ristretta regione nell intorno del punto di lavoro stesso VD0 La Curva di Shockley nell intorno di un determinato punto di lavoro può essere approssimata alla tangente alla curva in quel determinato punto vd d( Is* EXP( )) d( id) nvt Is*( EXP( vd / nvt) id + Is m = = = = ; rd d( vd) d( vd) nvt nvt = nvt Id + Is ; i d VD0 + rd + v d
12 Modelli di rappresentazione Semplificati V γ Modello a soglia Modello a soglia nulla V γ Modello a soglia + R I=0 per V< Vγ V= Vγ per I>=0 I=0 per V< 0 V= 0 per I>=0 I=0 per V< Vγ V= Vγ + R per I>=0
13 Raddrizzatore a semionda Il segnale d'ingresso, sinusoidale, viene applicato ad un diodo in serie ad RL. Il diodo consente il passaggio delle sole semionde positive (negative) cancellando le semionde negative (positive). Se RL=Inf, la forma d onda in uscita rappresenta quella di ingresso raddrizzata. Nota: Il raddrizzatore a semionda non trasforma le onde negative in positive. Si consideri inoltre che in presenza di un diodo non ideale la caduta di tensione sul diodo impone una forma di Distorsione sulla tensione di uscita:
14 Raddrizzatore a Ponte di Graez Il raddrizzatore funziona invertendo nei due rami della semionda alimentazione e massa Questa soluzione, è molto adatta alle trasformazioni AC/DC perché facilita un successivo filtraggio e livellamento della tensione fino ad ottenere una corrente continua. Principale svantaggio di questo metodo è di avere una caduta di tensione pari a quella di due diodi in serie. Nel raddrizzare tensioni molto piccole si ha quindi una perdita e una distorsione eccessive.
15 Rivelatore di Cresta R Z L = 1+ src ;
16 Rivelatore di Cresta (2) R=10K, C=10nF, f=10k R=10K, C=10nF, f=10k Se la capacità sale a 100nF o la resistenza a 100K, non si percepiscono quasi più variazioni
17 Esercizio 1 R1=5K D2 R2=1K 10V D V Ipotesi 1: D1, D2 in conduzione R1=8K R2=1K V1=10V V2=5V I1=(V1 V γ ) / R1 = 9.3V / 8KΩ =1.16 ma I2=(V2 / R2 )= 5V / 1KΩ =5 ma I D1 = ma Negativa > Non accettabile con l ipotesi di D1 in conduzione
18 Esercizio 1(b) Ipotesi 1: D1 interdetto, D2 in conduzione V1=10V + R1=8K + R2=1K + V2=5V I1=I2= (V1+V2V γ ) / R1+R2 = 14.3V / 9KΩ = 1.58 ma (V1VD1)/R1=I1; 10VD1=8K Ω *1.58 ma VD1= =2.64V R D1 = V D1 = Negativa > Compatibile con l ipotesi di D1 in interdizione I2= Negativa > Compatibile con l ipotesi di D2 in conduzione (Si noti il verso di I2, opposto a quello del diodo)
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