LA GIUNZIONE PN. Sulla base delle proprietà elettriche i materiali si classificano in: conduttori semiconduttori isolanti

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Patrizia Roberto
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1 LA GIUNZIONE PN Sulla base delle proprietà chimiche e della teoria di Bohr sulla struttura dell atomo (nucleo costituito da protoni e orbitali via via più esterni in cui si distribuiscono gli elettroni), i materiali si classificano attraverso il numero atomico nella tavola periodica degli elementi (tavola di Mendeleev in file separato). Gli elettroni degli orbitali più esterni vengono detti elettroni di valenza perché sono quelli che vengono condivisi quando si instaurano dei legami chimici Sulla base delle proprietà elettriche i materiali si classificano in: conduttori semiconduttori isolanti Struttura atomica del silicio a bassa temperatura G. Martines 1

2 Conduzione intrinseca (dipende dalla temperatura) Struttura atomica del silicio a temperatura ambiente G. Martines 2

3 Semiconduttori drogati Semiconduttore di tipo n: si ottiene inserendo nella struttura del semiconduttore atomi donatori cioè con un maggior numero di elettroni di valenza (esempio fosforo nel silicio) Portatori di carica maggioritari gli elettroni, minoritari le lacune. Semiconduttore di tipo p: si ottiene inserendo nella struttura del semiconduttore atomi accettori cioè con un minor numero di elettroni di valenza (esempio boro nel silicio). Portatori di carica maggioritari le lacune, minoritari gli elettroni. La conducibilità estrinseca dipende dalla densità dei droganti. G. Martines 3

Semiconduttore di tipo p: si ottiene inserendo nella struttura del semiconduttore atomi accettori cioè con un minor numero di elettroni di valenza

4 Giunzione pn isolata Barriera di potenziale: effetto delle cariche fisse Corrente di diffusione: effetto termodinamico Corrente di drift: effetto del campo elettrico su portatori minoritari All equilibrio (giunzione isolata) le due correnti devono essere uguali G. Martines 4

drift: effetto del campo elettrico su portatori minoritari All

5 Giunzione pn polarizzata L equazione che esprime la corrente: I ev ηkt = I S e 1 G. Martines 5

6 Caratteristica vi di una giunzione pn I ev ηkt = I S e 1 I = corrente nella giunzione I S = corrente di saturazione inversa e = carica dell elettrone k = costante di Boltzman T = temperatura assoluta (ºK) η = coefficiente correttivo η dipende dal materiale semiconduttore ed assume valori compresi fra 1 e 2. e 0 kt 11,600 = T 40 a 290 K NOTA: già per V = 0.1V l esponenziale vale 54 e per V = -0.1V l esponenziale vale 0.02 G. Martines 6

coefficiente correttivo η dipende dal materiale semiconduttore ed assume valori compresi fra 1 e 2.

7 Il diodo a semiconduttore La corrente in polarizzazione inversa è trascurabile rispetto quella che si ha in polarizzazione diretta già per valori di V di qualche decimo di Volt. a La caratteristica vi di una giunzione pn approssima quella di un diodo ideale ma la conduzione si ha per V V ON G. Martines 7

8 Circuiti equivalenti del diodo a giunzione pn G. Martines 8

9 La caratteristica completa del diodo G. Martines 9

10 Analisi di un circuito con diodo Le equazioni del circuito sono: I I e 40V = D S dalla equazione della giunzione pn I = E V R D dalla equazione della maglia Rappresentazione delle equazioni sul piano VI della caratteristica del diodo. G. Martines 10

V R D dalla equazione della maglia Rappresentazione delle

11 Il concetto retta di carico e di punto di lavoro La corrente nella maglia deve essere unica e I D è l unico valore della corrente nel diodo che soddisfa questa condizione perché ordinata del punto di intersezione delle due curve. Il punto di lavoro (o punto di riposo) è la soluzione del sistema di equazioni in DC. G. Martines 11

condizione perché ordinata del punto di intersezione delle due curve.

12 Scelta del modello equivalente I = E V R + r ON ON G. Martines 12

13 Effetti della temperatura Dalla espressione della corrente nella giunzione pn discende immediatamente che la tensione ai capi della giunzione può essere espressa da: A parità del rapporto I/I S la tensione aumenta al crescere della kt T kt I temperatura come la tensione termica V T = V = ln + 1 e ma anche la e I S corrente I S cresce con la temperatura perché aumenta la velocità di generazione di coppie elettrone-lacuna; nel silicio I S all'incirca raddoppia ogni 10 C di aumento della temperatura In conclusione la tensione V ai capi di una giunzione pn in silicio, a parità di corrente I, diminuisce di circa 2 mv/ C all aumentare della temperatura. G. Martines 13

cresce con la temperatura perché aumenta la velocità di generazione di coppie elettrone-lacuna; nel silicio I S all'incirca raddoppia ogni 10 C di aumento della

14 Diodo Zener È un diodo progettato per funzionare nella regione di break down della caratteristica VI. Il diodo funziona in polarizzazione inversa ma la corrente cresce per due meccanismi: Effetto ZENER: il campo elettrico è abbastanza intenso da staccare elettroni dalla banda di valenza (regione di carica spaziale molto stretta). Prevalente fino a 5V. La VBR diminuisce (poco) al crescere della temperatura. Moltiplicazione a valanga: gli elettroni nella regione di carica spaziale vengono accelerati a tal punto che gli urti con il reticolo provocano ionizzazione degli atomi (regione di carica spaziale ampia). Prevalente da >5V ad alta tensione. La VBR cresce al crescere della temperatura. Tipicamente i coefficienti di temperatura sono compresi tra 0.001% e 0.1% per C. G. Martines 14

carica spaziale molto stretta). Prevalente fino a 5V. La VBR diminuisce (poco) al crescere della temperatura.

15 Altri diodi di uso comune 1. Diodo Schottky. È basato su una giunzione metallo-semiconduttore e non su una giunzione pn. La corrente è costituita solo da portatori maggioritari. La tensione di accensione è circa 0.25V. 2. Diodo tunnel. È basato su una giunzione pn con densità di drogaggio molto alte per avere una regione di carica spaziale così sottile da generare una conduzione per effetto tunnel. Utilizzato come oscillatore a resistenza negativa 3. Diodo varactor. Si sfrutta la capacità variabile associata alla regione di carica spaziale di una giunzione pn in polarizzazione inversa. Facendo variare la tensione di polarizzazione inversa si fa variare la larghezza della regione di svuotamento e quindi si ottiene una capacità variabile controllata dalla tensione applicata. G. Martines 15

È basato su una giunzione pn con densità di drogaggio molto alte per avere una regione di carica spaziale così sottile da generare una conduzione per effetto tunnel.

16 4. Fotodiodo. Se si illumina la regione di carica spaziale di una giunzione pn polarizzata inversamente, i fotoni di specifiche lunghezze d onda vengono catturati e si generano coppie elettrone-lacuna che fanno aumentare la corrente inversa della giunzione. 5. LED (light-emitting diode). Quando una giunzione pn viene polarizzata direttamente conduce corrente ed il flusso di portatori di carica incrementa il tasso di ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna. La ricombinazione porta ad una emissione di fotoni con l energia che si rende disponibile (effetto di elettroluminescenza). La lunghezza d onda dei fotoni dipende dal gap di energia fra le bande di conduzione e di valenza del materiale su cui la giunzione viene realizzata. Nel silicio la transizione non tende a generare fotoni ma altri materiali generano fotoni nell infrarosso, nel visibile o nell ultravoletto. Tipicamente la tensione in conduzione è compresa fra 1V e 2V con correnti di qualche ma. 6. Diodo laser. La giunzione pn viene utilizzata per generare fotoni, come nei LED, ma all interno di una struttura che ha anche un guadagno ottico; così si innesca il fenomeno della emissione stimolata, cioè la produzione di fotoni con la stessa frequenza, polarizzazione e fase dei fotoni che la hanno provocata, che da luogo al processo di rigenerazione coerente su cui si basa il laser. Sono quindi sorgenti di luce coerente anche di elevata potenza. G. Martines 16

aumentare la corrente inversa della giunzione. 5. LED (light-emitting diode).

17 Raddrizzatore a semplice semi-onda G. Martines 17

18 G. Martines 18

19 Per scrivere le equazioni del circuito consideriamo la figura di merito costituita dalla tensione di ripple che in prima approssimazione può essere espressa da: V r ( V V ) P in pratica si è assunto che la corrente sul carico non vari significativamente durante la scarica del condensatore e quindi possa essere espressa dal primo fattore dell equazione; in questa ipotesi la V r è pari alla variazione di tensione ai capi della capacità per effetto di una scarica a corrente costante I DC per un tempo T, cioè V R L I = C perché l assunzione possa considerarsi valida deve essere DC ON T T C RC >> T. G. Martines 19

possa essere espressa dal primo fattore dell equazione; in questa ipotesi la V r è pari alla variazione di tensione ai capi della capacità per effetto di

20 Raddrizzatore a doppia semionda (ponte di Graetz) V r ( V 2V ) P R L ON T 2C G. Martines 20

21 Diodi limitatori G. Martines 21

22 Diodi limitatori Diodi di contenimento Un esempio di applicazione dei diodi limitatori come protezione dalla sovratensioni. G. Martines 22

23 Circuiti di aggancio (clamping o DC restorer) - G. Martines 23

24 Un semplice generatore di tensione costante Un esempio di applicazione del diodo zener. A circuito aperto, se V> V Z ed R è scelta in modo che V V R In presenza di un carico R L si avrà valori di R L tali che Z > I ZK V V R Z allora V O =V Z. V R O L > I V O = VZ per tutti i Si noti che le relazioni possono essere lette anche in termini della variazione V. ZK G. Martines 24

25 Duplicatore di tensione G. Martines 25

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