applicazioni applicazioni Diodo LED (light emitting diode) Diodo LED (light emitting diode)

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1 Diodo LED (light emitting diode) applicazioni Il funzionamento del led si basa sul fenomeno detto "elettroluminescenza", dovuto alla emissione di fotoni (nella banda del visibile o dell'infrarosso) prodotti dalla ricombinazione degli elettroni e delle lacune allorchè la giunzione è polarizzata in senso diretto. I led hanno un terminale positivo ed uno negativo, e devono essere inseriti in circuito rispettando tale polarità; in genere il terminale positivo è quello più lungo I led più comuni emettono luce rossa, arancio, gialla o verde. In tempi relativamente recenti si è riusciti a produrre un led caratterizzato dall'emissione di luce blu chiara, utilizzando il Nitruro di Gallio (GaN); la disponibilità di un led a luce blu è molto importante poichè consente di ricreare, insieme alle radiazioni rossa e verde, una sorgente di luce bianca. Diodo LED (light emitting diode) applicazioni Diversamente dalle comuni lampadine, il cui filamento funziona a temperature elevatissime ed è caratterizzato da notevole inerzia termica, i led emettono luce fredda, e possono lampeggiare a frequenze molto alte, superiori al Mhz; La luce emessa è direttamente proporzionale alla corrente che li attraversa, i led risultano particolarmente adatti alla trasmissione di segnali tramite modulazione dell'intensità luminosa. Uno dei tanti impieghi del led è ad esempio quello di iniettori di segnali nelle reti a fibre ottiche. 12

2 Diodo LASER applicazioni Come i diodi LED anche i diodi laser emettono luce tramite la ricombinazione di elettroni e lacune nella zona di barriera del diodo: la differenza fondamentale è che questa emissione è stimolata dalla luce stessa, e che la luce emessa è coerente. Questo viene ottenuto con una struttura del diodo a sandwich con tre zone drogate in modo diverso (n - p - p+) che presentano anche un diverso indice di rifrazione ottico: in pratica, le zone di confine n-p e p-p+ si comportano come due specchi che riflettono la luce emessa nel diodo e la confinano al suo interno. In questo modo i fotoni in viaggio nel diodo stimolano gli elettroni e le lacune negli atomi di semiconduttore a ricombinarsi emettendo un altro fotone con la stessa lunghezza d'onda e la stessa fase di quello incidente, cioè stimolano una emissione coerente. Normalmente i diodi laser sono realizzati in arseniuro di gallio o in in arseniuro di gallio e alluminio. fotodiodo E' costituito da una giunzione p-n polarizzata inversamente ed è impiegato come rivelatore di radiazione Quando un fotone di frequenza superiore alla frequenza di soglia viene assorbito nello strato di svuotamento della giunzione o in prossimità di esso, la coppia elettrone-lacuna creata viene separata dal campo elettrico della giunzione; la lacuna migra verso la regione p, l'elettrone verso la regione n. Di conseguenza si ha una corrente nel circuito esterno (fotocorrente). In assenza di polarizzazione ed a circuito aperto si ha tensione ai capi del circuito (effetto fotovoltaico). Fotodiodo per radiazione infrarossa. All'interno è visibile la superficie attiva di silicio larga circa 5 millimetri quadrati. 13

3 Celle solari Una giunzione p-n a circuito aperto, illuminata con radiazione di frequenza opportuna, da luogo, come in un fotodiodo, ad una differenza di potenziale agli estremi del circuito. Questo è l'effetto fotovoltaico, e può essere sfruttato per la conversione di una frazione dell'energia solare in energia elettrica. I dispositivi che sfruttano questo effetto sono le celle solari. Energia solare fotovoltaica.pdf 14

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5 Celle solari Per motivi costruttivi, il rendimento dei moduli fotovoltaici èin genere inferiore o uguale al rendimento della loro peggior cella. Con rendimento si intende la percentuale di energia captata e trasformata rispetto a quella totale giunta sulla superficie del modulo, e può essere considerato un indice di correlazione tra potenza erogata e superficie occupata, ferme restando tutte le altre condizioni. Se nei pannelli ad uso aerospaziale i rendimenti raggiungono anche il 50%, valori tipicamente riscontrabili nei prodotti commerciali a base silicea si attestano intorno al: 16% nei moduli in eterogiunzione; 14% nei moduli in silicio monocristallino; 13% nei moduli in silicio policristallino; 10% nei moduli in silicio microsferico; 6% nei moduli in silicio amorfo. 16

6 Il transistor bipolare a giunzione è il primo dispositivo elettronico attivo costruito sfruttando le proprietà fisiche dei cristalli semiconduttori. Un elemento attivo è un dispositivo in grado di amplificare segnali elettrici. Schematicamente lo possiamo immaginare come un sistema che riceve in entrata un segnale elettrico di debole intensità(in tensione o in corrente) e lo trasforma in uscita in un segnale molto più forte. Ciò non può essere realizzato con circuiti contenenti esclusivamente resistenze, bobine, condensatori o un'unica giunzione p-n (dispositivi pertanto chiamati elementi passivi) il transistor Il primo transistor tran(sfer-re)sistor - fu realizzato presso i Laboratori Bell il 23 dicembre 1947 da Bardeen, Brattain e Shockley (Nobel 1956) Era del tipo a contatto di punte (point contact transistor); fatto di germanio, forniva un'amplificazione di un fattore 18. il transistor L'annuncio della invenzione fu dato in una grande conferenza stampa il 30 giugno 1948; Il transistor a contatto di punte rimase in produzione per una decina di anni, poi fu superato dal transistor a giunzioni, che dava prestazioni migliori e si prestava meglio a una produzione su larga scala. Visualizza zoom trans1.webarchive 17

7 Il transistor a giunzione è essenzialmente costituito da due giunzioni p-n consecutive, ottenute drogando tre regioni di un semiconduttore in modo differente (n-p-n oppure p-n-p) Le tre zone del transistor a giunzione sono chiamate emettitore, base e collettore.l'emettitore e il collettore individuano le due zone del cristallo con lo stesso tipo di drogante mentre la base corrisponde alle parte del cristallo di diverso drogaggio che si trova tra le prime due. il transistor Il simbolo del transistor distingue l'emettitore dal collettore associando al primo una freccia che collega l'emettitore alla base. Nel caso di transistor npn la freccia va dalla base all'emettitore, mentre nel caso di transistor pnp il verso della freccia è opposto. (sempre nello stesso verso convenzionale usato per il diodo p-n) il transistor Visualizza zoom transistor.webarchive 18

8 il transistor Il moto dei portatori di carica nel transistor viene descritto dalla tre correnti IE, IB e IC che sono rispettivamente la corrente di emettitore, di base e di collettore. Per convenzione ognuna delle tre correnti é considerata positiva quando equivale ad un passaggio di cariche positive dal circuito esterno all'interno del transistor. Ad esempio la corrente di base IB é positiva se vi sono elettroni che escono dalla base o alternativamente lacune che entrano dall'esterno in base. E importante notare che le tre correnti non possono avere tutte lo stesso segno. Come per qualsiasi dispositivo elettrico anche per il transistor vale la legge di conservazione della carica elettrica: Nel transistor, come del resto in qualsiasi dispositivo elettrico, la corrente elettrica nasce da una differenza di potenziale tra parti diverse del dispositivo. In un transistor é possibile porre emettitore, base e collettore a potenziali diversi. Si usano pertanto i seguenti simboli: VBE, differenza di potenziale tra base ed emettitore, VCB, differenza di potenziale tra collettore e base e infine VCE, differenza di potenziale tra collettore e emettitore. Le tre differenze di potenziale sono tuttavia collegate tra loro ed é facile ricavare che: il transistor Quando vien applicata una differenza di potenziale ai capi delle due giunzioni del transistor, ovvero tra emettitore e base (V EB ) e tra il collettore e la base (V CB ), il potenziale esterno modifica la barriera di potenziale attraverso la giunzione e apre la strada al passaggio dei portatori di carica. Se, nell'esempio del transistor p-n-p, poniamo l'emettitore a potenziale più alto rispetto alla base (V EB >0), ovvero polarizziamo direttamente la giunzione emettitore base, vi sarà quindi un passaggio di lacune dall'emettitore alla base e di elettroni dalla base all'emettitore. Il comportamento delle lacune arrivate in base dall'emettitore dipende ora i anche dalla polarizzazione della giunzione n-p che segue, ovvero dalla giunzione base collettore. Le lacune infatti, nel cristallo tipo n, possono ricombinarsi con gli elettroni liberi e non passare al collettore. Ma, se lo spessore della zona n è sufficientemente sottile, e la giunzione n-p tra base e collettore è polarizzata in modo inverso, le lacune possono passare al collettore e fornire una corrente I c intensa. 19

9 il transistor Visualizza file zoom correnti trans.webarchive il transistor come amplificatore Visualizza zoom amplificatore.webarchive Curve caratteristiche tensione CE -- corrente di collettore al variare della corrente di base 20

10 L importanza del transistor è dovuta soprattutto al suo impiego nell'elettronica digitale. Il transistor viene infatti utilizzato come elemento attivo di base per fabbricare porte logiche, memorie, CPU etc. L'invenzione del transistor ha provocato una vera e propria rivoluzione nel campo dell'elettronica digitale permettendo l'incredibile sviluppo dei calcolatori elettronici (i primi calcolatori furono ideati e costruiti ben prima dell'invenzione dei transistor). Oggi i transistor bipolari sono stato rimpiazzati da dispositivi più efficienti basati sulla struttura MOS più facilmente integrabili e caratterizzati da una minore dissipazione di potenza. Tuttavia i motivi che hanno prodotto lo spettacolare successo del transistor rimangono essenzialmente gli stessi. Rispetto agli elementi attivi che venivano impiegati precedentemente (valvole come triodi, pentodi etc.) i transistor presentano caratteristiche diversissime: funzionano utilizzando correnti e tensioni bassissime, sono inoltre ordini di grandezza più veloci, economici e affidabili. La proprietà più importante è comunque la possibilità di fabbricare transistor di dimensioni microscopiche in forma integrata. Basti pensare che un moderno calcolatore utilizza circuiti integrati che contengono decine di milioni di transistor per centimetro quadrato. Le proprietà elettriche delle giunzioni p-n e dei transistor a giunzione dipendono dalla presenza di elettroni e di lacune e per questo i dispositivi sono detti "bipolari".(bjt) Esistono tuttavia anche transistor "unipolari" che coinvolgono cioè un solo tipo di portatori. Il funzionamento di questi dispositivi si basa sull'effetto che un campo elettrico esterno ha sulla distribuzione spaziale dei portatori maggioritari. Transistor di questo tipo sono detti "ad effetto di campo" (Field Effect Transistor) o FET. A questa classe di dispositivi appartengono i FET a giunzione singola (JFET) i MOSFET (o MOS) (Metal Oxide Semiconductor FET), i CMOS (Complementary MOS). Transistor ad effetto di campo Visualizza file zoom mosfet.webarchive 21

11 CHIP I vari tipi di transistor ad effetto campo agiscono come amplificatori controllati in tensione. Presentano, sui transistor bipolari, il vantaggio di lavorare con un minimo consumo di energia, di poter essere ultra miniaturizzati, di consentire la memorizzazione di segnali, tramite la carica della capacità del gate. Queste caratteristiche hanno favorito lo sviluppo dei circuiti a larga scala di integrazione (Very Large Scale Integration, o VLSI), quindi dei chip dei microprocessori.. Completa con i circuiti integrati i chips ed i microprocessori FAGGIN. 22