1 CENNI SU ALCUNI DISPOSITIVI ELETTRONICI A STATO SOLIDO Il diodo come raddrizzatore Un semiconduttore contenente una giunzione p-n, come elemento di un circuito elettronico si chiama diodo e viene indicato con il simbolo La sua capacità di far passare la corrente in un solo verso è utilizzata per realizzare un raddrizzatore, cioè un dispositivo che trasforma la corrente alternata (c. a.) in corrente continua. Con un solo diodo si può realizzare il raddrizzatore a una semionda mostrato nella Figura qui sotto. La tensione di uscita non è mai negativa, ma per metà del tempo è nulla. Per migliorare l efficienza si usa il raddrizzatore a ponte riportato qui sotto. Quando il terminale di sinistra è + e quello di destra è -, la corrente scorre lungo la linea rossa, attraversa il carico o la batteria da ricaricare (non mostrate) e torna al generatore di c. a. attraverso il percorso blu. Il terminale alto è + e quello basso è -. Nella semionda in cui il terminale di sinistra del ponte è - e quello di destra è + (Figura qui sotto) la corrente scorre lungo la linea rossa, attraversa il carico o la batteria (non mostrate) dal + al - e torna al generatore di c. a. attraverso il percorso blu. Il terminale alto anche questa volta è + e quello basso è -.
2 Quindi il terminale di uscita in alto è sempre positivo, durante entrambe le semionde della c. a. in ingresso. La tensione in uscita è mostrata in Figura. Le foto mostrano come si presenta un singolo diodo a semiconduttore e un ponte di diodi. Infine, per evitare che la tensione raddrizzata abbia l aspetto della Figura in alto, si può aggiungere un filtro integratore costituito da un condensatore e una resistenza, come nella Figura sotto. La costante di tempo di integrazione è τ = R 1 C 1.
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4 delle I GENERATORI DIPENDENTI La retta di carico Supponiamo che A sia un dispositivo non lineare in serie a una resistenza di carico R, polarizzato esternamente da E. i D = corrente totale v D = tensione totale I D = corrente d.c. V D = tensione d.c. i d = corrente a.c. v d = tensione a.c.. i D = I D + i d
5 A La funzione i = f ( ) D v D non nota analiticamente, viene graficata insieme alla retta di carico (load line) data dalla legge di Ohm L'intersezione con la curva fornisce il punto di lavoro del dispositivo A, ovvero corrente e tensione di funzionamento. Supponiamo ora di poter variare la caratteristica I-V del dispositivo non lineare mediante una polarizzazione esterna come in Figura, ottenendo così una famiglia di curve dove ora i D e quindi v D, sono controllati dalla corrente i T D ( I ) V g( I ) I = f = T D T
Nel caso in figura, una variazione di 0.05 (= 0.10-0.05) ma in i T porta ad una variazione di 4 (=10-6) ma in i D fi amplificazione = 4/0.05 = 80. Se poi I D / I T = cost avremo un'amplificazione fedele; Se, infine, variando opportunamente i T possiamo variare i D fra 0 e E/R, avremo un commutatore elettronico che funzionerà come un relé, che è un commutatore elettromeccanico: un generatore dipendente ON/OFF. Quando I 1 circola nella bobina, il campo magnetico chiude il circuito e circola anche I 2. 6
7 IL TRANSISTORE BIPOLARE A GIUNZIONE Consideriamo una giunzione polarizzata inversa. La corrente inversa dipende solo dalla generazione di carica vicino, o entro, la regione di svuotamento, ed e pertanto indipendente da V r mentre dipende linearmente, p.e., da una generazione ottica, come nel fotodiodo (primo e secondo pannello in Figura). p n p n In modo analogo possiamo pensare di iniettare idealmente delle lacune nella regione di svuotamento per controllare I indipendentemente dal valore di V e pertanto della resistenza di carico R L fi tale dispositivo sarebbe una buona approssimazione di un generatore di corrente. Una giunzione p + -n e un iniettore di lacune, come abbiamo gia visto, quando e polarizzato direttamente. Se ora consideriamo una struttura p + -n-p, quando la giunzione p + -n, di emettitore, e polarizzata direttamente, inietta lacune nella regione n. p + n p La Figura a sinistra è lo schema di un transistore p-n-p nella configurazione a base comune, con le sue alimentazioni. Di seguito lo schema è ripetuto per mostrare il suo funzionamento.
Le lacune iniettate da E attraversano velocemente la giunzione diretta EB e vengono accelerate dalla pol. inversa di BC verso C. Quindi la corrente di collettore I C e indipendente da tale pol., mentre dipende dalla corrente di lacune iniettata dall emettitore e pertanto dalla polarizzazione diretta dell emettitore fi c'è accoppiamento fra le due giunzioni. In B le lacune sono portatori minoritari e si ricombinano con gli elettroni. Per ogni coppia che si ricombina, deve arrivare un elettrone in B per ristabilire l'equilibrio neutro con i donori: ciò crea la debole corrente di base I B. I B - che è fissata unicamente dal punto di lavoro della giunzione BE, cioè dal circuito esterno di base - controlla la forte corrente I C. Infatti se calasse I B senza che cali anche I C, si produrrebbe un accumulo di lacune in B. La base diventerebbe più positiva, diminuendo la polarizzazione, cioè alzando la barriera della giunzione BE per le lacune che provengono da E e quindi in definitiva abbassando I C. Quindi: La corrente di base regola la ricombinazione in B La ricombinazione regola il potenziale della barriera BE Il potenziale tra B ed E regola la corrente di emettitore e quindi quella di collettore. Per - tenere bassa la ricombinazione - tenere bassa la corrente inversa di elettroni da B ad E 8
9 la base è sottile e poco drogata. In tal modo il tempo di transito τ B << τ p, la vita media delle lacune in B (ovvero larghezza della base W << L p lunghezza di diffusione), e I B << I C. Perciò, applicando la legge dei nodi, si vede che I C I E Nello stesso modo, con polarità invertite, funziona un transistore n-p-n. I simboli circuitali dei due tipi di transistore sono questi:
Il Transistore come amplificatore di tensione 10
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Transistore a efetto di campo (Junction Field-Effect Transistor, JFET) 12
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Metal-Oxide-Semiconductor FET: MOSFET 15 Sono adatti alla Very Large Scale Integration (VLSI) e possono diventare porte logiche, ma anche microresistenze o, in versione semplificata, microcapacità (MOS capacitor) per stoccare un bit in memoria sotto forma di una piccola carica elettrica. 2 tipi: Enhancement (arricchimento) MOSFET; Depletion (svuotamento) MOSFET (arricchimento)
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