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Diana Colonna
6 anni fa
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1 Laboratorio di Elettronica Dispositivi elettronici e circuiti Proprieta' e fenomenologia dei semiconduttori. Dispositivi a semiconduttore: * diodo a giunzione * transistor bjt * transistor jfet e mosfet Modelli matematici lineari e non lineari di diodi e transistor. Circuiti principali di impiego di diodi e transistor. Introduzione all'elettronica digitale: * porte logiche * algebra di Boole * principali famiglie logiche (CMOS e TTL) * circuito flip flop * elementi di elettronica sequenziale Il rumore nei circuiti elettronici Marcello Carla' Dip. di Fisica lab. 22 studio 126 tel / 2013 / 2060 carla@ fi.infn.it Prerequisiti Leggi dei circuiti elettrici: Ohm, Kirchhoff, Thevenin, Norton Analisi di Fourier Principi di base della reazione (feedback) Elementi lineari dei circuiti: resistenze, condensatori, induttanze, generatori Testi di riferimento J. Millman & A. Grabel Microelectronics (McGraw Hill, 1987) R.C. Jaeger Microelectronic Circuit Design (McGraw Hill, 1997) P. Horowitz & W. Hill The Art of Electronics (Cambridge University Press, 1989)

2 Segnale: grandezza fisica che interessa conoscere o misurare (perche' contiene informazione) Elettronica Analogica Elettronica Digitale Le variabili elettriche di un circuito (tensioni e correnti) sono funzioni, per lo piu' continue, ma non necessariamente lineari, dei segnali. Le variabili elettriche hanno solo due valori discreti, indicati convenzionalmente con 0 ed 1. Codici di 0 e 1 rappresentano numericamente i segnali. Esempio: Termometro elettrico La resistenza di un filo di Platino e' una funzione (quasi) lineare della temperatura: R = R 0 ( 1 + T + T 2 ) Quando viene percorsa da una corrente I ad ogni temperatura corrisponde una tensione: V = I R 0 ( 1 + T + T 2 ) Il numero binario b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0 (b i = 0/1) rappresenta la temperatura T = S i ( b i 2 i ) S = fattore di scala in C / l.s.b. l.s.b. = least significant bit (bit meno significativo)

3 Elaborazione Elettronica Analogica dei segnali Amplificazione (o attenuazione) Lo strumento di misura ha un suo campo (range) di lavoro ottimale. I valori del segnale possono essere fuori di questo campo perche' troppo piccoli o troppo grandi. Filtraggio Ogni segnale ed ogni strumento di misura sono affetti da rumore. Rendere il piu' alto possibile il rapporto segnale/rumore significa ridurre l'errore di misura. Trasformazioni non lineari L'informazione che interessa puo' essere contenuta in una funzione non lineare del segnale. Ad esempio: l'intensita' del segnale supera o no un certo valore di soglia?

4 Elaborazione Elettronica Digitale dei segnali Operazioni logiche elementari Gli elementi di base dell'elettronica digitale sono le porte logiche, circuiti che eseguono le operazioni logiche AND, OR, NOT tra le variabili logiche. Operazioni logiche combinatorie Utilizzando le porte logiche si possono realizzare reti capaci di eseguire operazioni logiche e matematiche che sono funzioni complesse dei valori delle variabili logiche di ingresso. Operazioni logiche sequenziali Reti logiche in cui il valore delle variabili di uscita dipende dal valore delle variabili di ingresso e dalla storia precedente della rete (reti dotate di memoria).

5 30 IIB Zn IIIA IVA VA VIA B C N O Boro Carbonio Azoto Ossigeno Al Si P S Alluminio Silicio Fosforo Zolfo Ga Ge As Se Zinco Gallio Germanio Arsenico Selenio Cd In Sn Sb Te Cadmio Indio Stagno Antimonio Tellurio Hg Ti Pb Bi Po Mercurio Titanio Piombo Bismuto Polonio Conduzione e resistivita' Conduttori Semiconduttori Isolanti 10 5 m 10 3 m Semiconduttori rame: m m silicio:2300 m diamante :10 14 m cm 3 Diamante = = 0.14 Silicio = = 0.05 Germanio = = 0.18 Rame = m 2 /V s La enorme differenza di resistivita' tra conduttori, semiconduttori e isolanti e' dovuta principalmente alla differenza di concentrazione dei portatori di carica. J = n q E n q = = 1 J : vettore densita' di corrente E : campo elettrico n : densita' dei portatori di carica q : carica dei portatori : mobilita' dei portatori : conducibilita' elettrica : resistivita' elettrica Germanio: primo ad essere utilizzato Silicio: il piu' utilizzato attualmente GaAs, InP: semiconduttori misti

6 Alcuni dispositivi a semiconduttore al germanio ed al silicio diodo al silicio per piccoli segnali diodi al silicio di media e grossa potenza microprocessore transistor al germanio transistor al silicio transistor di potenza al silicio circuito integrato digitale

7 Semiconduttore intrinseco Schema bidimensionale del reticolo cristallino di atomi tetravalenti T = 0 K T > 0 K + + Lacuna. Elettrone A T = 0 0 K tutti gli elettroni sono impegnati nei legami di valenza. n i 2 =n 2 = p 2 =B T 3 e E G / kt A T > 0 0 K alcuni legami si rompono e si formano coppie elettrone lacuna. n = concentrazione di elettroni p = concentrazione di lacune B = parametro caratteristico del materiale (per Silicio: B = K 3 cm 6 ) E G = band gap energy (energia di legame) (per Silicio: E G = 1.12 ev) k = J/K 86 ev/ K kt = 25.8 m ev ( a T = 300 K )

8 Concentrazione n i di elettroni e lacune nel Silicio intrinseco

9 Modello a bande di energia in un semiconduttore si ha un doppio meccanismo di conduzione legato alla presenza di portatori di carica negativi (elettroni) e positivi (lacune) Conduzione nei: Metalli J=qn n E =q n n Semiconduttori J=q n n p p E =q n n p p La conduzione di corrente e' data dai soli elettroni (negativi). T 0 La conduzione di corrente e' data dagli elettroni (negativi) e dalle lacune (positive). T 0 (Il libero cammino medio diminuisce con la temperatura) (Il numero di portatori n e p aumenta con la temperatura)

10 Proprieta' chimico fisiche di Germanio e Silicio simbolo Ge Si unita' numero atomico peso atomico densita' g/cm 2 densita' atomica atomi/cm 3 costante dielettrica relativa E G ( band gap ) ev conc. intrinseca portatori n i cm 3 frazione portatori/legami resistivita' m mobilita' elettroni n m 2 V / s mobilita' lacune p m 2 V / s coeff. diffusione elettroni D n m 2 / s coeff. diffusione lacune D p m 2 / s

11 Semiconduttore estrinseco Lacuna. Elettrone Semiconduttore di tipo N. Il drogaggio con atomi pentavalenti (donatori) genera un eccesso di elettroni di conduzione ed un reticolo di cariche positive fisse. Silicio Atomo donatore (As, P) Atomo accettore (In, Ga) Semiconduttore di tipo P. Il drogaggio con atomi trivalenti (accettori) genera un eccesso di lacune ed un reticolo di cariche negative fisse. N D = concentrazione di donatori N A = concentrazione di accettori

12 Legge di azione di massa Semiconduttore di tipo n tipo p n p=n i 2 T elettroni maggioritari minoritari lacune minoritari maggioritari n >> p p >> n N A n i p=n A, n=n i 2 / N A N D n i n=n D, p=n i 2 / N D n T = 300 K densita' atomica nel Si drogaggi N A, N D concentrazioni cm 3 concentrazioni minoritari p n, n p maggioritari p p, n n

13 Corrente di diffusione In presenza di un gradiente di concentrazione dei portatori si ha trasporto di carica per diffusione. Nel caso unidimensionale: J p = q D p dp dx J n =q D n dn dx D e sono correlate dalla equazione di Einstein: D p p = D n n = V T = kt q 26 =300 K La corrente totale e' data dalla somma di conduzione e diffusione: J p =q p p E q D p dp dx J n =q n n E q D n dn dx

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