1 3- CENNI SUI PRINCIPALI DISPOSITIVI BASATI SULLE GIUNZIONI p-n 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 id = f (vd ) non nota analiticamente, viene graficata insieme alla retta di carico (load line) data dalla legge di Ohm E = id R + vd 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
6 dove ora la corrente I D e quindi V D, sono controllati dalla corrente I 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.
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 Vr 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 Ir indipendentemente dal valore di Vr e pertanto della resistenza di carico RL 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. Di seguito è mostrato 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. 8
9 Per - tenere bassa la ricombinazione - tenere bassa la corrente inversa di elettroni da B ad E 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:
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