Polarizzazione Diretta () E Con la polarizzazione diretta della giunzione, la barriera di potenziale si riduce aumenta la mobilità dei portatori maggioritari e si riduce quella dei portatori minoritari
Polarizzazione Diretta (2) I portatori maggioritari di ogni zona sono sospinti verso la giunzione, sia dal lato n che dal lato p. Appena oltrepassano la giunzione divengono portatori minoritari nella nuova zona e si ricombinano con i portatori maggioritari. La zona di svuotamento si restringe (o si annulla) facilitando il passaggio delle cariche. La corrente totale è data dalla somma delle due correnti di lacune ed elettroni. I = I0(eV/V ) ; VT=T/600 ; V =25 mv ; T
Polarizzazione inversa () E Con la polarizzazione inversa della giunzione, la barriera di potenziale aumenta diminuisce la mobilità dei portatori maggioritari e aumenta quella dei portatori minoritari
Polarizzazione inversa (2) I portatori minoritari di ogni zona sono sospinti verso la giunzione, sia dal lato n che dal lato p. Appena oltrepassano la giunzione divengono portatori maggioritari nella nuova zona. La zona di svuotamento si amplia rendendo più difficile il passaggio delle cariche. La corrente totale è data dalla somma delle due correnti di lacune ed elettroni ed è molto bassa. I = I0 ; I0 = costante = µa ;
Polarizzazione diretta ed inversa Polarizzazione inversa: regione di svuotamento si allarga. Polarizzazione diretta: regione di svuotamento si restringe.
Concentrazione di portatori Polarizzazione Diretta Polarizzazione Inversa
Giunzione p-n (4) Contatti Ohmici: sono i contatti tra metallo e semiconduttore di tipo n o tipo p, che hanno un potenziale di contatto indipendente dalla corrente. Giunzione in corto circuito: se uniamo gli estremi di una giunzione p-n attraverso un conduttore, si osserva che nessuna corrente passa attraverso il conduttore. (conservazione energia) la differenza di potenziale alla giunzione è compensata dai contatti ohmici metallosemiconduttore. V V2 V + V2 + V3 = 0 V3
Giunzione p-n (5) Se la differenza di potenziale V attorno alla giunzione supera la V0 la corrente aumenta velocemente. Il limite a questa corrente è dato dalla resistenza metallo-semiconduttore dei contatti ohmici.
La giunzione p-n come un Diodo Definizione di diodo ideale: Lascia passare la corrente solo in un verso c è una sola polarizzazione (diretta) che fa passare corrente; la resistenza per la polarizzazione inversa è infinita;
Relazioni I-V () Dato un elemento circuitale, se si applica una tensione ai capi e si misura la corrente che fluisce attraverso l elemento, il grafico I-V si chiama caratteristica I-V dell elemento, e si scrive: I=I(V). Il rapporto R = V/I = resistenza dell elemento. R quindi è una funzione. Legge di Ohm: R= costante.
Relazioni I-V (2) a) Dispositivo Ohmico V I = R b) Dispositivo non Ohmico
Caratteristica I-V ideale e reale I = I0(eV/V ) T I = I0 Reale Ideale
Tensione di soglia Tensione al di sopra della quale il diodo si considera polarizzato direttamente. 0,2 V 0,6 V
Modello lineare del diodo Se V < Vsoglia circuito aperto, non passa corrente r = infinita Se V > Vsoglia il diodo è un elemento resistivo ohmico rf =dv/di I Per il Silicio rf = 5.5 Ω rf = dv/di R=V/I = rf V
Modello equivalente di diodo b) Modello per polarizzazione diretta. c) Modello per polarizzazione inversa.
Diodi Zener () Quando la polarizzazione inversa del diodo aumenta si giunge alla tensione di breakdown ci sono correnti molto grandi che fluiscono attraverso il diodo praticamente a tensione costante. Ci sono due effetti che causano le correnti: a) rottura dei legami degli elettroni di valenza dovuta al campo elettrico; b) moltiplicazione a valanga, con rottura dovuta agli urti degli elettroni in moto con quelli di valenza.
Diodi Zener (2)
Diodi Zener (3) Un diodo può funzionare nella regione di breakdown senza distruggersi (diodo Zener) dissipa la potenza generata (anche 50 W) Si possono costruire diodi opportunamente tarati per avere soglie di breakdown da qualche Volt a qualche centinaio di Volt. Si possono usare per realizzare dei regolatori di tensione, ossia con tensioni praticamente costanti, anche se le correnti variano molto.
Diodo Zener (4) VKA Rz = 5.6 V = 0.0 Ω Iz = 500 ma E = 20 V Legge delle maglie: E Iz R VKA = 0 R = (E VKA)/I = 28.8 Ω Se E = 0% E = 22 V che succede? E Vz I(R+Rz) I = (E Vz)/(R+Rz) = 0.569 ma VKA = Vz + Rz I = 5.606 V V = 0. %
Elementi circuitali Batteria: generatori di forza elettromotrice (differenza di potenziale) + o Resistenza Filo di resistenza trascurabile Condensatori Diodi Transistor
Leggi dei circuiti () Definizione: si dice nodo un punto in cui confluiscono tre o più conduttori. Definizione: si dice maglia un percorso chiuso fatto seguendo i conduttori
Leggi dei circuiti (2) Prima legge di Kirchhoff (dei nodi): In ogni nodo la somma delle correnti entranti deve essere uguale a quella delle correnti uscenti (conservazione della carica) Seconda legge di Kirchhoff (delle maglie): La somma delle variazioni di potenziale lungo un cammino chiuso (maglia) di un circuito deve essere zero (conservazione dell energia)
Simulazione di un circuito Esistono numerosi software di simulazione del comportamento di circuiti elettrici. Si basano sulla modellazione dei singoli elementi circuitali e sulla applicazione delle equazioni differenziali risolutive delle maglie e dei nodi.
Il Simulatore SIMetrix Simulatore basato su: SPICE (risoluzione equazioni circuitali) XSPICE (interfaccia grafica) + vari moduli originali comprendenti: -Librerie di componenti; -Analisi di rumore; -Varie modalità di analisi;
Circuito RC senza alimentatore C2-P IC=3 C2 5n Simulatore SIMetrix 5k R
Circuito RC con alimentatore V C2-P 5 C2-P IC=3 C2 3.5n 5k R
Transitorio per una giunzione p-n
Esempio ()
Esempio (2) v = v2 = 0 la V ai capi dei diodi è 0 i diodi sono polarizzati inversamente ( V<Vsoglia) v0 = 0
Esempio (3) v = V; v2 = 0 supponiamo che D sia attivo (passa corrente) e D2 inattivo usando la legge delle maglie: - V + IRs + Vsoglia + IRf + IR = 0 I = (V Vsoglia ) / (Rs + Rf + R ) v0 = IR se R >> Rs + Rf v0 = (V- Vsoglia ) = V (se V>> Vsoglia )
Esempio (4) v = V; v2 = V supponiamo che D e D2 siano attivi (passa corrente) usando la legge delle maglie e la equipartizione della corrente I nei due diodi: - V + (IRs)/2 + Vsoglia + (IRf)/2 + IR = 0 I =(V Vsoglia ) / [(Rs + Rf)/2 + R ] v0 = IR se R >> Rs + Rf v0 = (V- Vsoglia ) = V (se V>> Vsoglia )
Come usare SIMetrix
Simulazione dell esempio: V D DN448 V Vout V2 V2 D2 DN448 50k R3