Diodo LED (light emitting diode)
applicazioni
Il funzionamento del led si basa sul fenomeno detto "elettroluminescenza",
dovuto alla emissione di fotoni (nella banda del visibile o dell'infrarosso) prodotti
dalla ricombinazione degli elettroni e delle lacune allorchè la giunzione è
polarizzata in senso diretto.
I led hanno un terminale positivo ed uno
negativo, e devono essere inseriti in circuito
rispettando tale polarità; in genere il
terminale positivo è quello più lungo
I led più comuni emettono luce rossa, arancio,
gialla o verde. In tempi relativamente recenti
si è riusciti a produrre un led caratterizzato
dall'emissione di luce blu chiara, utilizzando il
Nitruro di Gallio (GaN); la disponibilità di un
led a luce blu è molto importante poichè
consente di ricreare, insieme alle radiazioni
rossa e verde, una sorgente di luce bianca.
Diodo LED (light emitting diode)
applicazioni
Diversamente dalle comuni lampadine, il cui filamento funziona a
temperature elevatissime ed è caratterizzato da notevole inerzia
termica, i led emettono luce fredda, e possono lampeggiare a frequenze
molto alte, superiori al Mhz;
La luce emessa è direttamente proporzionale alla corrente che li
attraversa, i led risultano particolarmente adatti alla trasmissione di
segnali tramite modulazione dell'intensità luminosa. Uno dei tanti
impieghi del led è ad esempio quello di iniettori di segnali nelle reti a
fibre ottiche.
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applicazioni
Diodo LASER
Come i diodi LED anche i diodi laser emettono luce tramite la ricombinazione di
elettroni e lacune nella zona di barriera del diodo: la differenza fondamentale è
che questa emissione è stimolata dalla luce stessa, e che la luce emessa è
coerente.
Questo viene ottenuto con una struttura del diodo a sandwich con tre zone
drogate in modo diverso (n - p - p+) che presentano anche un diverso indice di
rifrazione ottico: in pratica, le zone di confine n-p e p-p+ si comportano come due
specchi che riflettono la luce emessa nel diodo e la confinano al suo interno.
In questo modo i fotoni in viaggio nel diodo
stimolano gli elettroni e le lacune negli atomi di
semiconduttore a ricombinarsi emettendo un altro
fotone con la stessa lunghezza d'onda e la stessa
fase di quello incidente, cioè stimolano una
emissione coerente.
Normalmente i diodi laser sono realizzati in
arseniuro di gallio o in in arseniuro di gallio e
alluminio.
fotodiodo
E' costituito da una giunzione p-n polarizzata
inversamente ed è impiegato come rivelatore
di radiazione
Quando un fotone di frequenza superiore alla
frequenza di soglia viene assorbito nello strato
di svuotamento della giunzione o in prossimità
di esso, la coppia elettrone-lacuna creata viene
separata dal campo elettrico della giunzione;
la lacuna migra verso la regione p, l'elettrone
verso la regione n.
Di conseguenza si ha una corrente nel circuito
esterno (fotocorrente).
In assenza di polarizzazione ed a circuito
aperto si ha tensione ai capi del circuito
(effetto fotovoltaico).
Fotodiodo per radiazione infrarossa. All'interno è visibile la
superficie attiva di silicio larga circa 5 millimetri quadrati.
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Celle solari
Una giunzione p-n a circuito
aperto, illuminata con radiazione
di frequenza opportuna, da luogo,
come in un fotodiodo, ad una
differenza di potenziale agli
estremi del circuito.
Questo è l'effetto fotovoltaico, e
può essere sfruttato per la
conversione
di
una
frazione
dell'energia solare in energia
elettrica.
I dispositivi che sfruttano questo
effetto sono le celle solari.
Energia solare fotovoltaica.pdf
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Celle solari
Per motivi costruttivi, il rendimento dei moduli fotovoltaici èin genere
inferiore o uguale al rendimento della loro peggior cella.
Con rendimento si intende la percentuale di energia captata e trasformata
rispetto a quella totale giunta sulla superficie del modulo, e può essere
considerato un indice di correlazione tra potenza erogata e superficie
occupata, ferme restando tutte le altre condizioni.
Se nei pannelli ad uso aerospaziale i
rendimenti raggiungono anche il 50%,
valori tipicamente riscontrabili nei
prodotti commerciali a base silicea si
attestano intorno al:
16% nei moduli in eterogiunzione;･
14% nei moduli in silicio monocristallino;
13% nei moduli in silicio policristallino;･
10% nei moduli in silicio microsferico;･
6% nei moduli in silicio amorfo.
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Il transistor bipolare a giunzione è il
primo dispositivo elettronico attivo
costruito sfruttando le proprietà
fisiche dei cristalli semiconduttori.
il transistor
Un elemento attivo è un dispositivo
in grado di amplificare segnali
elettrici.
Schematicamente lo possiamo
immaginare come un sistema che
riceve in entrata un segnale elettrico
di debole intensità(in tensione o in
corrente) e lo trasforma in uscita in
un segnale molto più forte.
Ciò non può essere realizzato con
circuiti contenenti esclusivamente
resistenze, bobine, condensatori o
un'unica giunzione p-n (dispositivi
pertanto chiamati elementi passivi)
Il primo transistor tran(sfer-re)sistor - fu
realizzato presso i Laboratori Bell il 23
dicembre 1947 da Bardeen, Brattain e
Shockley (Nobel 1956)
il transistor
Era del tipo a contatto di punte (point
contact transistor); fatto di germanio,
forniva un'amplificazione di un fattore 18.
L'annuncio della invenzione fu dato in una
grande conferenza stampa il 30 giugno
1948;
Il transistor a contatto di punte rimase in
produzione per una decina di anni, poi fu
superato dal transistor a giunzioni, che
dava prestazioni migliori e si prestava
meglio a una produzione su larga scala.
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Il transistor a giunzione è essenzialmente
costituito da due giunzioni p-n consecutive,
ottenute drogando tre regioni di un
semiconduttore in modo differente (n-p-n
oppure p-n-p)
il transistor
Le tre zone del transistor a giunzione sono
chiamate emettitore, base e
collettore.L'emettitore e il collettore
individuano le due zone del cristallo con lo
stesso tipo di drogante mentre la base
corrisponde alle parte del cristallo di diverso
drogaggio che si trova tra le prime due.
Il simbolo del transistor
distingue l'emettitore dal
collettore associando al
primo una freccia che
collega l'emettitore alla
base.
Nel caso di transistor npn la freccia va dalla base all'emettitore,
mentre nel caso di transistor pnp il verso della freccia è opposto. (sempre
nello stesso verso convenzionale usato per il diodo p-n)
il transistor
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il transistor
Il moto dei portatori di carica nel transistor viene descritto dalla tre correnti IE,
IB e IC che sono rispettivamente la corrente di emettitore, di base e di collettore.
Per convenzione ognuna delle tre correnti é considerata positiva quando equivale
ad un passaggio di cariche positive dal circuito esterno all'interno del transistor.
Ad esempio la corrente di base IB é positiva se vi sono elettroni che escono dalla
base o alternativamente lacune che entrano dall'esterno in base. E’ importante
notare che le tre correnti non possono avere tutte lo stesso segno. Come per
qualsiasi dispositivo elettrico anche per il transistor vale la legge di conservazione
della carica elettrica:
Nel transistor, come del resto in qualsiasi dispositivo elettrico, la corrente
elettrica nasce da una differenza di potenziale tra parti diverse del dispositivo. In
un transistor é possibile porre emettitore, base e collettore a potenziali diversi.
Si usano pertanto i seguenti simboli: VBE, differenza di potenziale tra base ed
emettitore, VCB, differenza di potenziale tra collettore e base e infine VCE,
differenza di potenziale tra collettore e emettitore.
Le tre differenze di potenziale sono tuttavia collegate tra loro ed é facile ricavare
che:
il transistor
Quando vien applicata una differenza di potenziale ai capi delle due giunzioni del
transistor, ovvero tra emettitore e base (VEB) e tra il collettore e la base (VCB), il
potenziale esterno modifica la barriera di potenziale attraverso la giunzione e
apre la strada al passaggio dei portatori di carica.
Se, nell'esempio del transistor p-n-p, poniamo l'emettitore a potenziale più alto
rispetto alla base (VEB>0), ovvero polarizziamo direttamente la giunzione
emettitore base, vi sarà quindi un passaggio di lacune dall'emettitore alla base e
di elettroni dalla base all'emettitore.
Il comportamento delle lacune arrivate in base dall'emettitore dipende ora i
anche dalla polarizzazione della giunzione n-p che segue, ovvero dalla giunzione
base collettore.
Le lacune infatti, nel cristallo tipo n, possono ricombinarsi con gli elettroni liberi
e non passare al collettore. Ma, se lo spessore della zona n è sufficientemente
sottile, e la giunzione n-p tra base e collettore è polarizzata in modo inverso, le
lacune possono passare al collettore e fornire una corrente Ic intensa.
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il transistor
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il transistor come
amplificatore
Curve caratteristiche
tensione CE -- corrente di collettore
al variare della corrente di base
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L’importanza del transistor è dovuta soprattutto al suo impiego nell'elettronica
digitale.
Il transistor viene infatti utilizzato come elemento attivo di base per fabbricare
porte logiche, memorie, CPU etc.
L'invenzione del transistor ha provocato una vera e propria rivoluzione nel campo
dell'elettronica digitale permettendo l'incredibile sviluppo dei calcolatori elettronici
(i primi calcolatori furono ideati e costruiti ben prima dell'invenzione dei
transistor).
Oggi i transistor bipolari sono stato rimpiazzati da dispositivi più efficienti basati
sulla struttura MOS più facilmente integrabili e caratterizzati da una minore
dissipazione di potenza.
Tuttavia i motivi che hanno prodotto lo spettacolare successo del transistor
rimangono essenzialmente gli stessi. Rispetto agli elementi attivi che venivano
impiegati precedentemente (valvole come triodi, pentodi etc.) i transistor
presentano caratteristiche diversissime: funzionano utilizzando correnti e tensioni
bassissime, sono inoltre ordini di grandezza più veloci, economici e affidabili.
La proprietà più importante è comunque la possibilità di fabbricare transistor di
dimensioni microscopiche in forma integrata. Basti pensare che un moderno
calcolatore utilizza circuiti integrati che contengono decine di milioni di transistor
per centimetro quadrato.
Transistor ad effetto di campo
Le proprietà elettriche delle giunzioni p-n e dei transistor a giunzione dipendono
dalla presenza di elettroni e di lacune e per questo i dispositivi sono detti
"bipolari".(BJT)
Esistono tuttavia anche transistor "unipolari" che coinvolgono cioè un solo tipo di
portatori. Il funzionamento di questi dispositivi si basa sull'effetto che un campo
elettrico esterno ha sulla distribuzione spaziale dei portatori maggioritari.
Transistor di questo tipo sono detti "ad effetto di campo" (Field Effect Transistor) o
FET.
A questa classe di dispositivi appartengono
•i FET a giunzione singola (JFET)
•i MOSFET (o MOS) (Metal Oxide Semiconductor FET),
•i CMOS (Complementary MOS).
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CHIP
I vari tipi di transistor ad effetto campo agiscono come amplificatori controllati in
tensione. Presentano, sui transistor bipolari, il vantaggio di lavorare con un minimo
consumo di energia, di poter essere ultra miniaturizzati, di consentire la
memorizzazione di segnali, tramite la carica della capacità del gate.
Queste caratteristiche hanno favorito lo sviluppo dei circuiti a larga scala di
integrazione (Very Large Scale Integration, o VLSI), quindi dei chip dei
microprocessori. .
Completa con i circuiti integrati i chips ed i microprocessori FAGGIN….
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