I semiconduttori Presentano le seguenti caratteristiche: hanno una resistività intermedia tra quelle di un isolante ed un conduttore presentano una struttura cristallina, cioè con disposizione nello spazio di atomi o molecole che si ripete con regolarità i materiali più utilizzati sono silicio (Si), germanio (Ge), arseniuro di gallio (GaAs), arseniuro di indio (InAs) la resistività diminuisce con l aumentare della temperatura (al contrario dei conduttori), mentre allo zero assoluto si ottiene un perfetto isolante La struttura molecolare del Silicio è la seguente: Gli elettroni dell orbitale più esterno di ogni atomo si legano tra loro mediante legame covalente; la temperatura spezza questo legame, per cui un elettrone che può vagare all interno della struttura cristallina, come pure il vuoto che ha lasciato (lacuna), sono responsabili di una corrente. Questa può essere dovuta quindi a elettroni o lacune (natura bipolare della corrente). Se si inseriscono delle impurità (drogaggio) si può variare la resistività; i materiali droganti sono comunemente antimonio (Sb), fosforo (P), arsenico (As), sono detti donatori perché hanno 5 elettroni nell orbitale più esterno (4 si legano col silicio, 1 resta libero) Boro (B), gallio (Ga), indio (In) sono detti accettori, hanno 3 elettroni nell orbitale più esterno (3 si legano col silicio, 1 lacuna resta libera) Il drogaggio è un operazione che avviene con diffusione di vapori a temperature intorno ai 1000 C. Nelle immagini un drogaggio del silicio puro con Arsenio (a sinistra, donatore del 5 gruppo) e con Indio (a destra, accettore del 3 gruppo). 1
Giunzione PN Quando viene drogato un elemento di silicio con lacune ed elettroni, si viene a creare una zona di svuotamento (depletion layer) o di carica spaziale, dovuta alla ricombinazione delle cariche libere. Restano pertanto delle cariche scoperte, dovute agli ioni, che sono fisse. La ricombinazione teoricamente dovrebbe annullare tutte le cariche libere presenti nel nostro elemento, ma ha termine in quanto si crea un campo elettrico, dovuto alle cariche fisse, che impedisce alle cariche libere di allontanarsi e di ricombinarsi tutte fra loro. Se viene polarizzata la giunzione direttamente (il + alla zona p ed il alla zona n) il campo esterno fornisce l energia sufficiente alle cariche libere di oltrepassare la zona di svuotamento e nasce pertanto una corrente (cariche maggioritarie) che può essere elevata. Viceversa, con una polarizzazione inversa, si ha l attraversamento della zona di svuotamento da parte delle cariche minoritarie, presenti a causa della temperatura, le quali costituiscono la corrente inversa, piccola e praticamente costante. Simbolo circuitale e caratteristica statica del diodo 2
Polarizzazione inversa e diretta di una giunzione PN Per poter studiare circuiti in cui operano i diodi, è possibile, data la difficoltà matematica a trattare la caratteristica statica del diodo, espressa dalla relazione I-V 1 con I 0 corrente inversa di saturazione (praticamente costante, rappresentata dal segmento a sinistra del grafico), V T una costante che dipende anche dal tipo di materiale componente la giunzione PN e dalla temperatura. Per poter trattare matematicamente il calcolo circuitale, è conveniente linearizzare la caratteristica come da figura seguente: Adottando un paio di segmenti che approssimano la curva effettiva, ne discende che in polarizzazione diretta il diodo si possa rappresentare con resistenza R f (dell ordine della decina di Ohm) e generatore V γ (dell ordine del volt), in polarizzazione inversa come una resistenza (R r di elevato valore). A volte la semplificazione può essere più spinta, come nelle seguenti figure: La prima conduce ad una resistenza inversa infinita, quindi il diodo in polarizzazione inversa si considera un circuito aperto; la seconda fornisce in più una resistenza diretta nulla, ma con la presenza di V γ ; la terza elimina anche quest ultima. Ovvio che la semplificazione va applicata in tutti quei circuiti dove l errore commesso non altera significativamente i risultati. 3
Il punto di lavoro Il procedimento grafico si basa sulla equazione, detta retta di carico Tracciandola sulla caratteristica, che rispecchia la formula già vista della corrente, fornisce la soluzione in comune fra le due equazioni che viene rappresentato dal punto Q. Resistenza statica e dinamica La prima è data dal semplice rapporto fra V Q ed I Q, la seconda dal rapporto delle rispettive variazioni in prossimità del punto Q. 4
Altri tipi di diodi Zener Presenta la particolarità di essere impiegato in polarizzazione inversa. Superata la tensione di Zener V Z, la caratteristica si mantiene praticamente verticale, il che permette di poter variare di molto la corrente pur con una piccola variazione di tensione. Viene sfruttato per realizzare stabilizzatori di tensione. Fotodiodo Tramite l eccitazione di una corrente vengono prodotti dei fotoni (fig. a), se invece sono i fotoni ad eccitare la struttura cristallina, allora viene prodotta una corrente (fig. b). Schottky Tramite l impiego di un metallo si permette di avere un transito più veloce delle cariche attraverso la giunzione PN. Quest acaratteristica permette di utilizzare il diodo in circuiti che richiedono grande velocità di commutazione. 5
Varicap Viene utilizzato in polarizzazione inversa e viene sfruttata la variazione della zona di carica spaziale in dipendenza della tensione applicata al fine di ottenere una capacità pilotata dalla tensione stessa. Diodo raddrizzatore Circuiti con diodi 6
Tensione d uscita del diodo La costruzione grafica mette in evidenza come la transcaratteristica, in collaborazione con la forma d onda applicata all ingresso (v i ) fornisca la tensione d uscita (v o ). Raddrizzatori a semionda (fig. a), a doppia semionda (fig.b), a ponte di Graetz (fig. c). 7
Circuito limitatore La tensione d uscita del circuito (fig. a) viene costruita graficamente; in pratica fino a che non si supera la tensione V R + V γ l uscita è uguale all ingresso (non passa corrente nel ramo con il diodo), dopo viene limitata dal partirore R ed R f. Vari circuiti limitatori 8
Circuiti limitatori a due livelli Circuito fissatore In pratica la capacità viene caricata con il positivo a sinistra (fig. a) e fornisce pertanto alla maglia una tensione che viene sottratta a quella d ingresso per dare quella di uscita (fig. b). 9