Elettronica I – Il diodo a giunzione
Valentino Liberali
Dipartimento di Tecnologie dell’Informazione
Università di Milano, 26013 Crema
e-mail: [email protected]
http://www.dti.unimi.it/˜liberali
Elettronica I – Il diodo a giunzione – p. 1
Programma - Parte 6
6. Dispositivi e circuiti elettronici.
(a) I semiconduttori.
(b) Il diodo a giunzione.
(c) Il transistore bipolare a giunzione.
(d) Il transistore MOS.
(e) La tecnologia CMOS.
(f) Porte logiche in tecnologia CMOS.
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Giunzione p-n
giunzione
p
n
In una struttura monocristallina in cui c’è una parte di silicio
drogato p e una parte di silicio drogato n, la superficie di
separazione tra le due zone si chiama giunzione.
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Diodo a giunzione
p
A
anodo
n
+
-
K
catodo
Il dispositivo più semplice realizzato con una giunzione p-n
è il diodo. Il terminale collegato alla regione drogata p è il
terminale positivo (anodo); quello collegato alla regione
drogata n è il terminale negativo (catodo).
Il diodo NON è simmetrico.
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Proprietà della giunzione p-n (1/3)
cariche fisse
-
+
-
p
+
n
+
-
regione di
svuotamento
In prossimità della giunzione, i portatori si ricombinano:
rimane una zona priva di cariche mobili, ma con le cariche
fisse (di segno opposto) degli atomi accettori e donatori.
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Proprietà della giunzione p-n (2/3)
cariche fisse
-
+
-
p
+
+
-
n
regione di
svuotamento
La regione di svuotamento non è elettricamente neutra e
si chiama anche regione di carica spaziale.
Il suo comportamento è analogo a quello di una capacità
(accumulo di cariche fisse senza portatori e quindi senza
passaggio di corrente) −→ capacità di giunzione
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3
Proprietà della giunzione p-n (3/3)
A
anodo
K
catodo
-
+
-
p
+
n
+
-
V
-
+
Ai capi della capacità di giunzione c’è una tensione V con
segno opposto al segno dei terminali del diodo: questa
tensione impedisce ai portatori liberi di attraversare la
regione di carica spaziale.
In queste condizioni, nel diodo non passa corrente.
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Diodo polarizzato inversamente
-
+
+
-
+
-
+
-
+
-
p
+
-
+
n
Un diodo è polarizzato inversamente quando ai suoi capi
è applicata una tensione discorde rispetto ai segni dei
terminali del diodo.
La regione di svuotamento si allarga perché i portatori
vengono attirati dalla tensione applicata.
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Diodo polarizzato direttamente
-
+
+
-
+
+
-
p
n
Un diodo è polarizzato direttamente quando ai suoi capi è
applicata una tensione concorde rispetto ai segni dei
terminali. Se la tensione è piccola, la regione di
svuotamento si restringe. Se la tensione è grande, la
regione di svuotamento si annulla e il diodo conduce una
corrente elevata.
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corrente (A)
Caratteristica tensione-corrente (1/2)
0.01
0.009
0.008
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
tensione (V)
Il passaggio alla conduzione è graduale:
qV D
ID = IS exp
−1
kT
q = carica dell’elettrone; k = costante di Boltzmann;
T = temperatura assoluta (in kelvin)
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Caratteristica tensione-corrente (2/2)
ID
diodo in
conduzione
("on")
diodo
spento
("off")
Vγ
= 0.7 V
VD
Per la maggior parte dei problemi pratici, la caratteristica
esponenziale può essere approssimata da una
caratteristica ideale:
ID = 0 se VD < Vγ “off” (spento)
ID > 0 se VD = Vγ “on” (acceso)
dove Vγ è la tensione di soglia (circa 0.7 V per un diodo in
silicio).
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Risoluzione di circuiti con diodi
La soluzione esatta di un circuito con diodi richiede di
risolvere un’equazione non algebrica contenente termini
esponenziali (o logaritmici). Invece, approssimando la
caratteristica esponenziale con la caratteristica ideale, si
ottiene un circuito descritto da un modello “linearizzato”
che può essere facilmente risolto nel modo seguente:
1. Si fa un’ipotesi sul funzionamento di ciascun diodo
(OFF −→ ID = 0; ON −→ VD = Vγ ).
2. Si risolve il circuito (sistema lineare).
3. Si verifica l’ipotesi (se il diodo è OFF deve risultare
VD < Vγ ; se il diodo è ON deve risultare ID > 0).
4. Se l’ipotesi è verificata per ciascun diodo, allora la
soluzione trovata è corretta. Altrimenti, si torna al
punto 1 cambiando l’ipotesi.
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Esercizio
Gli elementi del circuito in figura hanno i seguenti valori:
V0 = 5 V, R1 = 10 kΩ, R2 = 2.2 kΩ, e R3 = 1.5 kΩ. Il diodo D è
un LED in arseniuro di gallio e conduce, emettendo luce,
quando è polarizzato direttamente con tensione Vγ = 1.3 V.
Si calcoli la corrente nel diodo, quando:
A. il generatore di corrente I0 eroga una corrente nulla;
B. il generatore di corrente I0 eroga una corrente pari a
3 mA.
A
+
V0
R3
R2
R1
I0
D
B
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