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Un semiconduttore a bassissima temperatura ( ~ 0 K) ha una struttura cristallina

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Un semiconduttore a bassissima temperatura ( ~ 0 K) ha una struttura cristallina

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Presentation Transcript

  1. Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si LACUNA LACUNA • Un semiconduttore a bassissima temperatura • (~ 0 K) ha una struttura cristallina • simile a quella “ideale” • non sono disponibili cariche libere e si comporta come un isolante. • A temperatura ambiente (~ 300 K) • alcuni legami covalenti sono rotti • (energia termica fornita al cristallo) • e la conduzione diventa possibile • (elettroni liberi – cerchietti rossi ). • La mancanza di un elettrone in un • legame covalente (cerchietti verdi) è • detta lacuna. • Una lacuna può fungere da portatore • libero di carica. ELETTRONE VERSO DESTRA = LACUNA VERSO SINISTRA

  2. Si Si Si Si B Si Si Si Si P Introducendo delleimpurezze nel cristallo di semiconduttore si possono alterare le sue proprietà elettriche. In particolare la sua conducibilità può aumentare di diversi ordini di grandezza. impurezze pentavalenti – arsenico, fosforo, antimonio : un elettrone è più debolmente legato alla struttura cristallina (non partecipa ai legami covalenti)  contribuisce alla concentrazione di elettroni liberi drogaggio di tipo n (donori ND= concentrazione di donori ) impurezze trivalenti – boro, indio, gallio: nella struttura cristallina manca un elettrone  si ha una lacuna drogaggio di tipo p (accettori NA= concentrazione di accettori )

  3. Semiconduttore intrinseco Semiconduttore drogato n Semiconduttore drogato p

  4. La conduzione può avvenire per effetto di spostamento di coppie elettroni-lacune del materiale puro (minority carrier) dando luogo alla conduzione intrinseca, o a causa del drogante (majority carrier),conduzione estrinseca. - - - + + - + - - - + - - - - + + + + + + + - - - - Minority carrier(rottura del legame) Majority carrier(dovuto al drogante) Si As - - + + + + - + + - + + + - - +

  5. n = p = ni = concentrazione intrinseca di elettroni (lacune) nel silicio puro Legge di azione di massa : np= ni2 Se n oppure p variano per qualche ragione, l’altro fattore di questa relazione varia in direzione opposta in modo da mantenere costante il prodotto. La concentrazione intrinseca dipende dalla temperatura come: ni 2 = Ao T3 e-Eo/kT con T = temperatura assoluta, k = cost Boltzmann (eV/K), Ao = costante, Eo= energia necessaria per rompere un legame covalente silicio a T ~ 300 K : numero di atomi /cm3 ~ 1022 ni ~ 1.5 1010 cm-3 rame : numero di atomi /cm3 ~ 1023 ni ~ 1023 cm-3

  6. IMPORTANTE: nei conduttori la resistività aumenta con la temperatura nei Semiconduttori, invece, diminuisce aumentando la temperatura resistività r = m/(ne2t) m = massa elettrone, e = carica, n = densità di portatori di carica, t = tempo medio tra 2 collisioni in un conduttore n rimane costante, ma, crescendo la temperatura, t diminuisce coefficiente termico di resistività a = 1/r (dr/dT)

  7. GIUNZIONE p-n Eproduce forza elettrica che si oppone al moto degli elettroni verso sinistra e delle lacune verso destra Un portatore di carica deve avere energia sufficiente per superare la barriera di potenzialeDV0

  8. corrente di diffusione Idiff dovuta alla ricombinazione elettroni/lacune (spostamento di portatori maggioritari) il campo elettrico spinge i portatori minoritari attraverso la giunzione Iterm corrente di campo (o termica) Iterm Idiff

  9. zona di svuotamento k = costante di Boltzmann all’equilibrio: Idiff= Iterm=C e -qVo/kT Itot = Idiff- Iterm= 0

  10. drogaggio p drogaggio n - + + - + + + - - - + - + + + - - - + - - + - + - + + + - - - + - + + + - - + - - + + - + + + - - - + - + + + - - - + - drogaggio p drogaggio n Conseguenze della diffusione di portatori di carica barretta di silicio drogata in modo non uniforme (GIUNZIONE p-n) campo E alta probabilità di ricombinazione tra lacune e elettroni in prossimità della giunzione 1 2 zona di svuotamento (non ci sono cariche libere) diffusione (in un tempo brevissimo) di lacune verso destra e di elettroni verso sinistra cattura di lacune nella parte n e di elettroni nella parte p La nuova distribuzione di cariche genera un campo elettrico che si oppone alla diffusione  corrente totale = 0 a circuito aperto. pp =concentrazione iniziale di lacune nel lato sinistro=NA concentrazione di accettori sul lato p ND= nn = concentrazione di donori sul lato n pn = concentrazione iniziale di lacune nel lato destro = ni2/ND prendendo due punti 1 e 2: barriera di potenziale sia per gli elettroni dalla parte n che per le lacune dalla parte p. Vo=V21 =VT ln (pp/pn) = VT ln (NAND/ni2)

  11. - + + - + + + - - - - + - + - + + + - - - + + - + + + - - - - + Questo discorso vale a circuito aperto e senza alcuna polarizzazione esterna, cioè senza l’applicazione di ddp esterne. Applichiamo una ddp V 1 – polarizzazione diretta: • si abbassa la barriera di potenzialeV’ = Vo – V • si riduce la zona di svuotamento • Iterm (corrente termica) rimane costante • Idiff (corrente di diffusione) dipende dalla barriera di potenziale Idiff = C e-qVo/kT Idiff = C e–q(Vo-V)/kT Itot=Idiff – Iterm =Ce–q(Vo-V)/kT-Ce-qVo/kT=Ce-qVo/kT(eqV/kT-1)= Io (eqV/kT-1) dove Io = C e -qVo/kT

  12. - + - + + - + + + - - - - + - + - + + + - - - + + - + + + - - - 2 – polarizzazione inversa: • allontanamento dei portatori liberi dalla giunzione • siallarga la zona di svuotamento • si alza la barriera di potenziale V’ = |V|+ Vo • Iterm(corrente termica) rimane costante • Idiff dipende dalla barriera di potenziale • Idiff = C e -qVo/kT Idiff = C e –q(Vo+|V|)/kT • Itot = Idiff – Iterm = C e –q(Vo+|V|)/kT- C e -qVo/kT= C e -qVo/kT(C e –q|V|/kT-1) I = Io (e qV/kT-1) dove Io = C e -qVo/kT è l’equazione che descrive il comportamento di un DIODO se qV >> kT è positivo la corrente varia in maniera esponenziale, mentre se V<0 la corrente tende ad un valore molto piccolo e negativo I = -Io

  13. il diodo è un elemento circuitale non lineare, cioè ha un comportamento non ohmico I = Io (e qV/kT-1) = Io (eVD/hVT-1) dove h è un parametro numerico che vale 1÷2 per il Silicio VT = kT/q  T/11600 equivalente in Volt della temperatura Io è una costante detta corrente inversa di saturazione ~ 10-14 ÷ 10-15 A per il Silicio per h=1, Io =10-14 A, VT = 25mV per 0 < VD< 0.65 V il diodo è interdetto piccole variazioni di tensione  grandi variazioni di corrente VT = kT/q = T/11600 = equivalente in Volt della temperatura con k = 1.381 x 10-23 J/K qV/kT = V/VT

  14. per VD >> hVT I = Io e qV/kT zona di conduzione • I1 = Io e hVD1/VT I2 = Io e hVD2/VT • I1/I2 = e h(VD1-VD2)/VT  VD1 –VD2 = VT/h ln I1/I2 25 mV ln (I1/I2) se I1 =10 ∙I2  VD1 –VD2 57 mV  piccola caduta di potenziale ai capi del diodo • Rf = resistenza associata al diodo in conduzione = V/I ha un valore molto piccolo Per es.: Rf 800 mV/ 790 mA ~ 1 W al contrario • se il diodo è interdetto la • resistenza associata al diodo • (Rr) è elevatissima. DIODO IDEALE : polarizz. diretta = corto circuito DIODO IDEALE : polarizz.inv = interruttore aperto

  15. polarizz. inversa  Io = 10-14 A, in realtà in la corrente misurata è più alta, ~ nanoAmpere, (questioni tecniche) e dipende dalla temperatura. Se si applica un potenziale inverso al diodo la corrente è quasi nulla fino a che non si ha un breakdown: 1 - si rompono nuovi legami a causa del forte campo elettrico e la corrente inizia a crescere (Zener effect); 2 - se V è alta la velocità degli elettroni è alta e rompe ancora altri legami (avalanche effect). Il diodo Zener è un dispositivo appositamente progettato per essere utilizzato in quella zona come stabilizzatore di tensione.

  16. Rf I Vg 1/Rf V Nella pratica, un diodo reale comincia a condurre quando V >Vg. Un diodo reale è quindi equivalente a un diodo ideale (Vg =0) in serie con un generatore di tensione (ideale) di valore Vg ed una resistenza Rf Silicio Vg~ 0.6-0.7 V Germanio Vg~ 0.2-0.3 V rappresentazione a tratti della caratteristica del diodo

  17. P N simboli circuitali del diodo hanno di solito un indicatore dalla parte del catodo. polarizzazione diretta + anodo catodo polarizzazione inversa + metallo semiconduttore Schottky Zener Esistono diversi tipi di diodo: - da segnale: bassa potenza (frazioni di W), piccola corrente inversa (A o nA); - rettificatori: alte correnti dirette (da frazioni di A a 100 A); - rettificatori veloci (switching): tempi brevi per svuotare la giunzione; -LED: attraversati da corrente emettono luce; - Zener: lavorano in polarizzazione inversa; ve ne sono da 250 mV a 1,5 KV.

  18. A CHE SERVONO I DIODI? CIRCUITO RADDRIZZATORE V t(ms) segnale in ingresso: V(t) = Vo sin(wt) con Vo = 5 V, f= w/2p= 60 Hz, R= 100 W, Vg =0.81 V Eq. del circuito: Vosin(wt)=VD +RI Per VD =Vg 0.81 V, I = 0: la prima volta questo accade al tempo t1 tale che sin(w t1) = 0.81/5 V = 0.162  t1 = 0.43 ms Nuovamente I = 0 per t2=7.9 ms se Vg fosse 0 l’intera semionda sarebbe trasmessa

  19. D4 D1 D2 V1 D3 t Stabilizzatore Vd RL R1 1k t  V1 C1 Vc t Vs t CIRCUITO RADDRIZZATORE A DUE SEMIONDE PONTE DI DIODI per esempio un diodo ZENER

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