Elettronica digitale. Elettronica digitale. Corso di Architetture degli Elaboratori

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1 Elettronica digitale Elettronica digitale Corso di Architetture degli Elaboratori

2 Elettroni di valenza 1 Elettroni di valenza Gli elettroni nello strato esterno di un atomo sono detti elettroni di valenza. Tali elettroni hanno effetto sulle reazioni chimiche dell atomo e determinano le proprietà elettriche dell elemento. RETI LOGICHE 2

3 Elettroni di valenza 2 Gli elettroni di valenza, liberandosi dai relativi atomi, determinano la conduttività dei solidi. La corrente elettrica che attraversa il solido è costituita da flussi di elettroni di valenza liberati. Conduttori: grandi quantità di elettroni di valenza liberi a temperatura ambiente Isolanti: scarse quantità di elettroni di valenza liberi a temperatura ambiente Semiconduttori: discrete quantità di elettroni di valenza liberi a temperatura ambiente RETI LOGICHE 3

4 Teoria delle bande Bande di energia Le proprietà elettriche della materia sono descritte per mezzo della teoria delle bande, in termini di quantità di energia necessaria per liberare elettroni di valenza. RETI LOGICHE 4

5 Livello di Fermi 1 Livello di Fermi Livello di Fermi è il termine utilizzato per indicare il più alto livello di energia a cui si può trovare un elettrone alla temperatura di 0 gradi Kelvin (quindi in assenza di energia termica) RETI LOGICHE 5

6 Livello di Fermi 2 La probabilità che un elettrone si trovi al di sopra del livello di Fermi aumenta al crescere della temperatura. La probabilità che un elettrone finisca in banda di conduzione aumenta con la temperatura ed è maggiore quanto minore è il gap tra livello di Fermi (e quindi banda di valenza) e banda di conduzione RETI LOGICHE 6

7 Proprietà di Si e Ge Proprietà del silicio e del germanio Formano reticoli cristallini le cui proprietà elettriche possono essere modificate sostanzialmente con una limitata sostituzione di atomi (drogaggio) RETI LOGICHE 7

8 Cristalli di Si e Ge In un cristallo di silicio (o germanio) i 4 elettroni di valenza sono posti in comune tra atomi contigui nel cristallo. RETI LOGICHE 8

9 Semiconduttori intrinseci 1 Semiconduttori intrinseci In un cristallo di Si (o Ge) si ha, ad ogni temperatura al di sopra dello zero assoluto, una probabilità non nulla che un elettrone finisca in banda di conduzione. L elettrone abbandona l atomo relativo (che diventa uno ione carico positivamente) lasciandosi dietro una lacuna. RETI LOGICHE 9

10 Semiconduttori intrinseci 2 In presenza di una tensione applicata, sia elettroni che lacune contribuiscono ad una piccola corrente. RETI LOGICHE 10

11 Semiconduttori intrinseci 3 A temperatura ambiente (25 C) il numero n i di elettroni che statisticamente è passato in banda di conduzione è dell ordine di elettroni/cm 3. La densità di atomi nel cristallo è dell ordine di atomi/cm 3, per cui all incirca un atomo ogni perde un elettrone di valenza. Per il bilanciamento delle cariche, si ha anche che p i =n. i Conduttività di un semiconduttore = q(µ e n i +µ l p i ), dove q= carica dell elettrone, µ e,µ l = mobilità di elettroni e lacune Conduttività dell ordine di q(µ e +µ l )10 10 RETI LOGICHE 11

12 Semiconduttori drogati 1 Semiconduttori drogati L aggiunta di una piccola percentuale di atomi di altri elementi nel cristallo comporta forti cambiamenti nelle proprietà elettriche del cristallo, che viene detto drogato. (5 elettroni di valenza) fornisce 1 elettrone aggiuntivo (donatore). Drogaggio di tipo n (3 elettroni di valenza) fornisce 1 lacuna aggiuntiva (accettore). Drogaggio di tipo p RETI LOGICHE 12

13 Drogaggio di tipo n Drogaggio di tipo n L aggiunta di impurità pentavalenti (Sb, As, P) introduce elettroni liberi, non inseriti nella struttura cristallina, aumentando la conduttività del semiconduttore RETI LOGICHE 13

14 Drogaggio di tipo p Drogaggio di tipo p L aggiunta di impurità trivalenti (B, Al, Ga) crea deficienze di elettroni di valenza, lacune, aumentando la conduttività del semiconduttore RETI LOGICHE 14

15 Semiconduttori drogati 2 Drogaggio tipicamente dell ordine di atomi/cm 3 (un atomo drogato ogni 10 7 ). Numero n n di elettroni in cristallo drogato n (o p p di lacune in cristallo drogato p) dell ordine di particelle/cm 3, dovuti quindi in pratica al solo drogaggio. Diminuzione, per la maggiore ricombinazione, di lacune in cristallo n e di elettroni in cristallo p. Quindi n n >>n i = p i >>p n e p p >>p i = n i >>n p RETI LOGICHE 15

16 Semiconduttori drogati 3 In generale, si può mostrare che il prodotto tra le concentrazioni di elettroni e lacune è indipendente dal drogaggio: n n p n = n i p i = n p p p, e dell ordine di Quindi, n p e p n sono dell ordine di 10 5 particelle/cm 3. Ricordando che la conduttività di un semiconduttore è pari a q(µ e n i +µ l p i ), ne deriva che la conduttività di un semiconduttore drogato è dell ordine di q(µ e +µ l )10 15 Un semiconduttore drogato conduce (10 5 ) volte meglio di un semiconduttore intrinseco (non drogato). RETI LOGICHE 16

17 Giunzione p-n Giunzione p-n Porre a contatto semiconduttori drogati in modo opposto, formando una giunzione, introduce delle proprietà elettriche molto interessanti. Quando materiali di tipo n e di tipo p sono a contatto la giunzione si comporta in modo molto diverso rispetto ai due materiali considerati da soli. RETI LOGICHE 17

18 Regione di svuotamento Regione di svuotamento Quando si forma una giunzione p-n, una parte degli elettroni liberi nella regione n si diffondono attraverso la giunzione e si combinano con lacune nella zona p. Ciò comporta che, intorno alla giunzione, vengono creati ioni positivi nella zona n e ioni negativi nella zona p. RETI LOGICHE 18

19 Equlibrio alla giunzione Equilibrio alla giunzione In assenza di tensioni applicate, la giunzione è in equilibrio, in quanto gli ioni nella regione di svuotamento impediscono il passaggio di elettroni (da n a p) o lacune (da p ad n) attraverso la giunzione. RETI LOGICHE 19

20 Polarizzazione inversa della giunzione 1 Polarizzazione inversa della giunzione Se la tensione applicata è negativa sulla parte p e positiva sulla parte n, il passaggio della giunzione è reso ancora più difficile. RETI LOGICHE 20

21 Polarizzazione inversa della giunzione 2 L applicazione di tenzione inversa alla giunzione p-n causa una corrente temporanea (elettroni e lacune sono spinti lontano dalla regione di svuotamento). La corrente termina quando il potenziale formato nella regione di svuotamento bilancia la tensione applicata. Rimane allora soltanto una piccola corrente intrinseca. RETI LOGICHE 21

22 Polarizzazione diretta della giunzione 1 Polarizzazione diretta della giunzione Se la tensione applicata è positiva sulla parte p e negativa sulla parte n, il passaggio della giunzione è reso più facile. RETI LOGICHE 22

23 Polarizzazione diretta della giunzione 2 La tensione applicata in modo diretto spinge lacune dalla regione p ed elettroni dalla regione n verso la giunzione. Elettroni e lacune si combinano alla giunzione ed un flusso continuo di corrente viene mantenuto attraverso la giunzione. RETI LOGICHE 23

24 Comportamento di un diodo 1 Comportamento di un diodo In definitiva, il comportamento di una giunzione p-n è tale da far sì che essa conduca corrente in una direzione, ma non nella direzione opposta. La giunzione p-n è alla base del diodo, utilizzato in generale come componente conduttore unidirezionale. RETI LOGICHE 24

25 Comportamento di un diodo 2 Se V A > V B la giunzione è polarizzata direttamente: il diodo fa pochissima resistenza e scorre una corrente sostenuta da A verso B. Se V A < V B la giunzione è polarizzata in modo inverso: il diodo fa molta resistenza e scorre una corrente molto bassa (da conduzione intrinseca) da B verso A. RETI LOGICHE 25

26 Diodi e porte logiche Implementazione di porte logiche mediante diodi x y z x 0 0 y 0 +5 z ~ 0 ~ ~ ~ +5 Porta OR +5V x y z 0 0 ~ 0 x z ~ 0 ~ 0 y ~ +5 Porta AND RETI LOGICHE 26

27 Struttura di un transistor a giunzione Struttura di un transistor a giunzione Un transistor a giunzione consiste di 3 regioni di semiconduttori drogati: emettitore, collettore (drogati allo stesso modo) e base (drogata nel modo opposto, sottile e posta tra di essi). RETI LOGICHE 27

28 Funzionamento di un transistor Funzionamento di un transistor Un transistor può operare in tre modalità diverse, a seconda se le due giunzioni base-emettitore e base-collettore sono polarizzate in mdo diretto o inverso. BE diretta BC inversa: zona attiva BE diretta BC diretta: in saturazione BE inversa BC inversa: chiuso La condizione BE inversa BC diretta non è considerata in quanto equivale sostanzialmente a BE diretta BC inversa. RETI LOGICHE 28

29 Transistor in zona attiva 1 Transistor in zona attiva Gli elettroni emessi dall emettitore possono: combinarsi con le lacune nella base diffondersi attraverso la base ed uscire dal morsetto di base (I B ) diffondersi attraverso la base nel collettore ed uscire dal morsetto di collettore (I C ) RETI LOGICHE 29

30 Transistor in zona attiva 2 Transistor in zona attiva La corrente I C dal collettore è circa il 99% della corrente I E dall emettitore. La corrente di base I B è una piccola frazione (1/β) della corrente di collettore. RETI LOGICHE 30

31 Transistor in saturazione Transistor in saturazione La giunzione CB polarizzata direttamente tende ad indurre una corrente da collettore a base, inversa rispetto ad I E. Inizialmente, I C tende ad invertire di verso, decrescendo fino a 0. Poi cresce nella direzione inversa. In questa situazione: V BC V BE o anche V CE 0 RETI LOGICHE 31

32 Transistor chiuso Transistor chiuso La giunzione BE polarizzata inversamente riduce a (quasi) 0 la corrente che l attraversa: ne deriva che per la corrente di emettitore si ha I E 0. Dato che anche la giunzione BC è polarizzata inversamente, e quindi I C 0, ne deriva che I B 0. RETI LOGICHE 32

33 Configurazione common emitter Configurazione common emitter The entire normal range of silicon transistor operation involves a change in baseemitter voltage of only about two-tenths of a volt. This is because the base-emitter diode is forward biased. One of the constraints on transistor action is that this voltage remains at about 0.6 volts (often referred to as the diode drop). A small change in V BE can produce a large change in collector current and achieve current amplification RETI LOGICHE 33

34 Curve caratteristiche in common emitter 1 Curve caratteristiche in common emitter: curve di input La relazione tra corrente di base e tensione V BE tra base ed emettitore è determinata dal fatto che sono corrente e tensione attraverso una giunzione (polarizzata direttamente). RETI LOGICHE 34

35 Curve caratteristiche in common emitter 2 Curve caratteristiche in common emitter: curve di input A parità di V BE, un aumento di V CE comporta una diminuzione di I B. Per V BE =0,6 0,7 Volts la giunzione BE passa in forte conduzione ed I B assume valori elevati. Piccole variazioni V BE Forti variazioni I B (e I C ) RETI LOGICHE 35

36 Curve caratteristiche in common emitter 3 Curve caratteristiche in common emitter: curve di output La relazione tra corrente di collettore e tensione V CE tra collettore ed emettitore è determinata dal fatto che (considerata BE polarizzata direttamente a 0,6 0,7 Volts) sono corrente e tensione attraverso una giunzione (polarizzata inversamente). RETI LOGICHE 36

37 Curve caratteristiche in common emitter 4 Curve caratteristiche in common emitter: curve di output Zona attiva Saturazione Zona attiva: I C dipende da I B, poco da V CE Chiuso Saturazione: I C dipende poco da I B, molto da V CE Chiuso: I C dipende poco da I B, poco da V CE RETI LOGICHE 37

38 Retta di carico Retta di carico La retta di carico descrive i possibili punti in cui può operare il transistor in una configurazione common emitter RETI LOGICHE 38

39 Transistor come interruttore 1 Transistor come interruttore V in =0 La giunzione EB è polarizzata inversamente I B 0 Punto di operazione RETI LOGICHE 39

40 Transistor come interruttore 2 Transistor come interruttore V in =V La resistenza R B è tale che V BE 0,6 Volts Punto di operazione La giunzione EB è polarizzata fortemente in modo diretto I B elevata RETI LOGICHE 40

41 Implementazione porta NOT Implementazione porta NOT Da quanto visto: V in =0 V out V V in =V V out 0 Assumiamo (logica positiva) che: V in 0 indichi il valore 0 V in V indichi il valore 1 Quindi: input=0 output=1 input=1 output=0 RETI LOGICHE 41

42 Implementazione porta NAND Implementazione porta NAND V out 0 se e solo se V A V e V B V Altrimenti V out V In logica positiva: porta NAND RETI LOGICHE 42

43 Implementazione porta NOR Implementazione porta NOR V out 0 se V A V o V B V Altrimenti V out V In logica positiva: porta NOR RETI LOGICHE 43

44 Struttura di un transistor CMOS Transistor CMOS Source (sorgente) Gate (porta) Drain (pozzo) La corrente per scorrere da S a D deve attraversare la zona G, drogata in modo opposto RETI LOGICHE 44

45 Funzionamento di un transistor CMOS 1 Transistor CMOS In generale, dato che gli elettroni sono rari nella regione di Gate, drogata p, mentre le lacune sono rare nelle regioni di Drain e di Source, drogata n, solo una limitatissima corrente scorre da D a S (assumiamo V SD <0). Lo stesso avviene se G è carica negativamente. RETI LOGICHE 45

46 Funzionamento di un transistor CMOS 2 Transistor CMOS Se G viene caricata positivamente, gli elettroni nella regione di Gate sono attratti nella zona tra le regioni di Drain e di Source, formando un canale con forte concentrazione di elettroni tra le due regioni drogate n. Una corrente (di elettroni) può scorrere tra D ed S. RETI LOGICHE 46

47 Funzionamento di un transistor CMOS 3 Transistor CMOS Il comportamento di un transistor CMOS è simile a quello di un transistor a giunzione. Differenze rispetto ad un transistor a giunzione: maggiore resistenza su D rispetto alla base di un transistor a giunzione: minor consumo maggiore tempo di commutazione RETI LOGICHE 47