Semiconduttori
I principali componenti elettronici si basano su semiconduttori (silicio
o germanio) che hanno subito il trattamento del drogaggio. In tal
caso si parla di semiconduttori di tipo p, dove sono presenti in
maggioranza cariche positive, esattamente lacune. Si parla invece
di semiconduttori di tipo n, quando il drogaggio determina la
creazione di semiconduttori con maggioranza di cariche negative.
Dal numero di materiali semiconduttori usati si ottengono diversi tipi
di componenti elettronici.
Diodo: costituito da due materiali semiconduttori, uno di tipo n e uno
di tipo p.
Transistor: presenza di tre semiconduttori, disposti nel seguente
ordine npn o pnp.
SCR: quattro semiconduttori presenti nel dispositivo.
“drogaggio”
livello del
donatore
donatore
drogaggio tipo “n”
con un atomo
pentavalente (fosforo):
il donatore introduce
un livello energetico
Ed molto popolato
poco sotto il fondo
della banda di
conduzione Ec
accettore
livello
dell’accettore
drogaggio tipo “p”
con un atomo
trivalente (Al):
l’accettore introduce
un livello energetico
Ea molto popolato
poco sopra la cima
della banda di
valenza Ev
Si crea una barriera di potenziale in corrispondenza della
giunzione di circa 0,7 V che blocca il flusso si portatori
DIODO (polarizzazione diretta)
Il diodo, il cui simbolo elettrico è rappresentato in basso, per la sua
costituzione fisica, fornisce la possibilità di lasciar passare la corrente
elettrica solo in una direzione. Si consideri infatti il circuito in figura, dove
l’anodo del diodo è connesso al polo positivo dell’alimentazione. Si parla
in questo caso di polarizzazione diretta del diodo, in quanto il diodo
permette la circolazione della corrente (valore dell’ordine dei mA) nel
verso indicato dal simbolo elettrico del diodo.
La conduzione del diodo avviene però
normalmente dopo aver superato il valore di
tensione detta di soglia Vs. Per valori di
tensione applicata al diodo maggiore di Vs, il
diodo entra in conduzione e la corrente cresce
rapidamente (andamento esponenziale).
La tensione Vs dipende essenzialmente dal
tipo di semiconduttore che costituisce il diodo.
DIODO (polarizzazione inversa)
Se nel circuito precedente
si
inverte la tensione di alimentazione
o il diodo, si ottiene il circuito di
polarizzazione
inversa,
con
conseguente passaggio di una
corrente di valore molto piccola
(nell’ordine dei A), detta corrente
di saturazione inversa Io.
Nella polarizzazione inversa assume notevole importanza la Vbr (tensione
di breakdown), infatti per valori di tensione maggiori in valore assoluto
della Vbr, il diodo si trova a lavorare con una tensione in grado di rompere i
legami dei suoi atomi. In questa situazione si genera un numero elevato di
elettroni (effetto a valanga) con generazione di un’elevata corrente che
porta alla distruzione del diodo stesso.
Il diodo in grado di sostenere valori di tensioni pari alla Vbr è il diodo
Zener, utilizzato come stabilizzatore di tensione.
DIODO (caratteristica reale)
I parametri di un diodo variano a
secondo il modello ed è
dipendente dalle case costruttrici.
I dati vengono raccolti in quelli
che si definiscono data sheet
(foglio di dati).
I(mA)
Vbr
Io
V
(50V)
1 2 3 4
(A)
V(V)
DIODO (caratteristica reale)
Quelli che maggiormente ci interessano sono i seguenti:
- Vs tensione di soglia: valore di tensione diretta minimo per portare il diodo
in conduzione;
- Vbr tensione di rottura o (breakdown): tensione per la quale si ha l’effetto di
moltiplicazione degli elettroni, con conseguente fusione del diodo stesso;
- Id corrente diretta: corrente che si stabilisce in polarizzazione diretta. Valori
sull’ordine di mA.
- Io corrente di saturazione inversa: corrente di valore bassissimo (ordine di
A) che si stabilisce in polarizzazione inversa
- Vmi tensione inversa massima: si stabilisce ai capi del diodo, quando
quest’ultimo si trova in stato di polarizzazione inversa
-Tj: temperatura della giunzione pn, che modifica la caratteristica reale del
diodo
- Pmax: potenza massima dissipabile da parte dl diodo.
DIODO
(elemento circuitale)
Per poter risolvere un circuito elettrico in cui è presente un diodo, bisogna
sostituire al diodo stesso dei componenti elettrici che simulino il
comportamento. Solitamente sono tre le possibili configurazioni da poter
sostituire al diodo all’interno di un circuito:
Vediamo solo il caso ideale
-diodo ideale come interruttore
Nel caso diodo ideale il funzionamento del diodo
è simulato da un interruttore. Infatti si trova nello
stato chiuso quando il diodo è polarizzato
direttamente. In tal caso la caduta di tensione sul
diodo è praticamente nulla.
Al contrario quando il diodo è contropolarizzato si
considera l’interruttore in stato aperto, con
conseguente
annullamento
della
corrente
circolante nel circuito.
I
V
Un diodo, quindi, è un conduttore unidirezionale (da p a n).
La sua funzione è quella di tagliare la corrente in verso opposto
(raddrizzare).
simbolo circuitale del diodo
Applicazioni particolari:
Fotodiodo; LED (Light Emitting Diode); Laser a semiconduttore
DIODO
Alla luce di quanto esposto in precedenza si può definire un diodo
come un elemento circuitale comandato dalla tensione.
Infatti quando la tensione applicata al diodo supera un determinato
valore, tensione di soglia, si permette la circolazione della corrente nel
circuito e di conseguenza si ottiene una d.d.p. ai capi del carico. Si
ricorda che la conduzione avviene sempre quando la tensione ai capi
del diodo cambia polarità, quindi non si può controllare in nessun
modo se non agendo sul segnale in ingresso al circuito.
DIODO led
L’effetto di elettroluminescenza nella giunzione si ha quando si
produce una ricombinazione fra una lacuna e un elettrone, effetto
accompagnato da una radiazione elettromagnetica sviluppata dalla
energia liberata durante questo fenomeno, (nei semiconduttori
comuni questa radiazione non esiste e l’energia si trasforma
sottoforma di calore). La frequenza della radiazione dipende dal
materiale utilizzato nella giunzione P-N, al fine di ottenere diversi
colori.
L’efficienza della radiazione luminosa dipende dalla corrente che
attraversa il LED, dall’area, dalla geometria della giunzione, dalle
dimensioni del contatto elettrico, dalla trasparenza od opacità del
substrato.
Quello rappresentato in figura è la versione
standard, di forma sferica, anche se ve ne
sono di forma rettangolare o prismatica; i
terminali si possono distinguere: l’Anodo è
quello piu’ lungo, l’altro è il Catodo; nelle
vicinanze di quest’ultimo è riportata una
tacca, zona appiattita, altro riferimento.
IL TRANSISTOR
Il transistor sfrutta le particolari caratteristiche della giunzione a semiconduttore.
Nel transistor, le giunzioni sono due e sono ottenute accostando materiale N ad due P oppure materiale
P a due N.
Le tipologie di transistor sono dunque due: N-P-N e P-N-P.
Il funzionamento delle due tipologie di transistor è pressoché identico,
semplicemente nel primo si parla di circolazione di elettroni e nel secondo di lacune.
Transistor NPN / Transistor PNP
Funzionamento del transistor :
• spessore del materiale che sta in mezzo agli altri due (il materiale P nel caso dell'NPN e N nel caso del PNP) abbia
particolari caratteristiche. Più precisamente il suo spessore deve essere minore della distanza media di
diffusione delle cariche presenti nel semiconduttore, ovvero quella distanza media entro la quale una carica
libera si ricombinerà con una di carica opposta. Per semplificare di molto potremmo concepire questa
distanza come lo spostamento MINIMO che una carica in movimento nel semiconduttore DEVE
ESEGUIRE ogni volta che si sposta senza ricombinarsi.
• Il materiale posto al centro della giunzione prende il nome di BASE.
• Uno degli altri due materiali agli estremi verrà drogato in maniera molto più massiccia dell'altro e prenderà
il nome di EMITTORE.
• Il restante materiale prenderà il nome di COLLETTORE.
• L'emettitore, molto drogato, dispone dunque di parecchi portatori in eccesso che potranno spostarsi nel
materiale ed attraverso le giunzioni.
TRANSISTOR / BJT
EMETTITORE
BASE
COLLETTORE
EMETTITORE
BASE
COLLETTORE
Nel dispositivo sono presenti due giunzioni base-emettitore
base collettore. La regione di base è molto sottile e molto
meno drogata rispetto alle regioni di emettitore e di collettore.
IL TRANSISTOR BJT
Un transistor bipolare è costituito da tre regioni adiacenti di
materiale semiconduttore drogate alternativamente n e p.
La regione centrale si chiama base, le altre due emettitore e
collettore.
Possiamo avere due tipi di transistor bipolari: npn e pnp.
Il simbolo elettrico è il seguente
ZONE DI FUNZIONAMENTO DEL BJT
La polarizzazione delle due giunzioni presenti nel dispositivo determina la sua zona di
funzionamento
In particolare
Se le due giunzioni sono entrambe polarizzate inversamente il transistor lavora nella zona di
interdizione.
Se le due giunzioni sono entrambe polarizzate direttamente il transistor lavora nella zona di
saturazione.
Se la giunzione base-emettitore è polarizzata direttamente e la giunzione base collettore è
polarizzata inversamente il transistor lavora in regione attiva o lineare.
Le tre correnti in gioco, Ic per il collettore, Ib per la base ed Ie per
l'emettitore, sono legate tra loro dall'equazione Ie = Ib + Ic.
Combinando i vari casi di polarizzazione dei diodi interni, è possibile
ottenere tre diversi stati di funzionamento del Bjt.
La rete esterna alla quale il transistor viene connesso, viene chiamata rete di
polarizzazione: essa va studiata per far giungere le correnti al Bjt nel verso corretto
e permetterne quindi il funzionamento desiderato.
Modalità ON-OFF
resistenza Rb calcolata in
modo da mandare totalmente in
conduzione il transistor quando
la tensione sulla Base raggiunge
il valore di 5volt.
Nel IN COMMUTAZIONE, il
transistor opera
in due sole condizioni:
1. SATURAZIONE
2. INTERDIZIONE.
Nell’ipotesi di dispositivo IDEALE, il BJT in
SATURAZIONE realizza un
corto circuito tra il collettore
e l’emettitore ed è
rappresentabile mediante un
INTERRUTTORE CHIUSO
(ON).
In INTERDIZIONE il BJT
appare invece come
un circuito interrotto
ed è equivalente ad
un INTERRUTTORE
APERTO (OFF).
1.
Il Bjt si dice in saturazione quando entrambe le
giunzioni sono polarizzate direttamente e sono quindi in
conduzione. Piccole variazioni della corrente di base in
questo caso non hanno alcun effetto.
Perché il Bjt NPN saturi è necessario che la tensione di
Base sia superiore a quella del Collettore ed anche a
quella dell'Emettitore
2.
Il Bjt si dice interdetto quanto entrambi i diodi interni
sono polarizzati inversamente oppure le tensioni in
gioco non superano la soglia di 0,7v necessaria per la
conduzione elettrica. Piccole variazioni della corrente di
base in questo caso non hanno effetto.
In generale, il transistor NPN è interdetto quanto le
tensioni sul Collettore ed Emettitore sono maggiori
rispetto alla tensione sulla Base
un transistor NPN lavora in
regione attiva quando la
tensione sull'Emettitore è
inferiore a quella sulla
Base di almeno 0,7v
mentre la tensione di
Collettore è inferiore a
quella della Base ma non
abbastanza per attivare la
giunzione, quindi attorno
gli 0.5v. Si ha quindi una
differenza di tensione tra
Collettore ed Emettitore
di circa 0.2v
Regione Attiva
Per ottenere un'amplificazione priva
di distorsioni è necessario
dimensionare il circuito in modo che
il livello massimo e minimo di
corrente sulla base rientrino nella la
zona di proporzionalità. Per
comodità si può considerare una
Ic di lavoro posizionata al centro
della retta, in questo esempio
circa Ic=13mA. Per ottenere questa
polarizzazione è necessario un
circuito differente, chiamato ad
Emettitore Comune.
POLARIZZAZIONE in REGIONE ATTIVA
Polarizzazione tipica di un transistor NPN
Polarizzare direttamente la giunzione Base-Emettitore ed inversamente la giunzione Base-Collettore.
E' necessario che la giunzione Base-Collettore sia polarizzata ad un livello di tensione molto più
elevato (almeno 3…4 volte) di quella Base-Emettitore.
Il rapporto tra le due correnti (la corrente tra Emettitore collettore e quella tra emettitore e base)
prende il nome di guadagno in corrente del transistor o beta. Questo numero si mantiene
'abbastanza' lineare entro una discreta gamma di correnti e indica in ultima analisi il fattore di
amplificazione di corrente del transistor.
CONSIDERAZIONE la forza è proprio quella di 'amplificare' la corrente di base x beta volte nel
collettore. Con una piccola variazione della corrente di base otteniamo dunque una grande variazione
di quella di collettore, minimo 100 volte.
IL BJT COME AMPLIFICATORE
In regione attiva il BJT può funzionare come
amplificatore di segnale
Si definisce amplificazione di corrente il rapporto fra la corrente di
uscita Iout = Ic e la corrente di ingresso Iin=Ib del dispositivo
BETA (amplificazione)= Ic/Ib
IL BJT COME INTERRUTTORE
In molteplici applicazioni il transistor BJT viene utilizzato in
commutazione tra la zona di interdizione e quella di saturazione.
In questo caso il suo comportamento è quello di un interruttore elettronico,
in cui il percorso collettore emettitore del transistor può essere
considerato equivalente ad un interruttore il cui funzionamento è
controllato dal morsetto di base
Modalità ON-OFF
Nella condizione di lavoro ad
resistenza Rb calcolata in
modo da mandare totalmente
in conduzione il transistor
quando la tensione sulla Base
raggiunge il valore di 5volt.
interruttore chiamato
anche FUNZIONAMENTO
IN COMMUTAZIONE, il
transistor opera
in due sole condizioni:
1. SATURAZIONE
2. INTERDIZIONE.
Nell’ipotesi di dispositivo IDEALE, il BJT
in SATURAZIONE realizza
un corto circuito tra il
collettore e l’emettitore ed è
rappresentabile mediante un
INTERRUTTORE CHIUSO
(ON).
In INTERDIZIONE il BJT
appare invece come
un circuito interrotto
ed è equivalente ad
un INTERRUTTORE
APERTO (OFF).
1.
Il Bjt si dice in saturazione quando entrambe le
giunzioni sono polarizzate direttamente e sono
quindi in conduzione. Piccole variazioni della
corrente di base in questo caso non hanno alcun
effetto.
Perché il Bjt NPN saturi è necessario che la
tensione di Base sia superiore a quella del
Collettore ed anche a quella dell'Emettitore
2.
Il Bjt si dice interdetto quanto entrambi i diodi
interni sono polarizzati inversamente oppure le
tensioni in gioco non superano la soglia di 0,7v
necessaria per la conduzione elettrica. Piccole
variazioni della corrente di base in questo caso non
hanno effetto.
In generale, il transistor NPN è interdetto quanto
le tensioni sul Collettore ed Emettitore sono
maggiori rispetto alla tensione sulla Base
ZONE DI FUNZIONAMENTO DEL BJT
Per un dispositivo di tipo npn le definizioni precedenti si traducono nella
verifica delle seguenti disequazioni
INTERDIZIONE
VBE < 0
VCE (5 V) > VBE (<0)
SATURAZIONE
VBE > 0
VCE (0V) < VBE ( >0)
REGIONE ATTIVA VBE > 0
VCE > VBE
TRANSISTOR di potenza
Il morsetto indicato con la lettera C drogato n,
viene detto di collettore, mentre B sta per base
drogato p, ed infine la E indica il morsetto
emettitore drogato n++. La potenza è definita
anche dalla geometria della base (stretta) in
relazione ai drogaggi
Si analizzerà il comportamento da commutatore di stati o interruttore del
transistor, infatti il componente elettronico in esame trova applicazione
nei circuiti di regolazione della velocità di motori proprio per la sua
elevata rapidità di commutazione.
TRANSISTOR di potenza
La commutazione tra i due stati di
funzionamento (ON-OFF) viene
comandata dalla corrente di base
IB. Si può paragonare il transistor
ad una valvola la cui apertura viene
dettata dalla IB. In conseguenza di
ciò si ottengono più curve
caratteristiche, che vedono in
relazione la corrente di collettore Ic
con la tensione Vce
Nel grafico delle caratteristiche si individuano tre zone:
-zona attiva: funzionamento da amplificatore
-zona di saturazione: funzionamento da interruttore chiuso
-zona di interdizione: funzionamento da interruttore aperto
TRANSISTOR di potenza
Il funzionamento da amplificatore verrà trattato brevemente, evidenziando
la relazione esistente tra la corrente di base Ib e la corrente di collettore Ic,
che sarà fornita al carico. Generalmente la Ib presenta valori dell’ordine dei
A, mentre la Ic avrà valori dell’ordine di mA. Ciò vuol dire
un’amplificazione di corrente da parte del transistor di valore compreso
tra i 100 i 1000 (hfe = beta). Dalle curve caratteristiche si può
comprendere quanto detto in precedenza, infatti all’aumentare della Ib
conseguentemente si registra anche un aumento della Ic.
Ic = (hfe)*Ib
Se la Ib si abbassa ad un valor prossimo a zero si
registra un diminuzione anche della Ic, tale da non
far circolar corrente tra i morsetti di collettore ed
emettitore e quindi aprire il transitor stesso. Si è
praticamente portato il transistor a lavorare in
interdizione, cioè da interruttore aperto.
TRANSISTOR di potenza
Per portare invece il transistor in zona di saturazione, comportamento da
interruttore chiuso, bisogna fornire una tensione al circuito di base tal da
rispettare la seguente relazione:
Ic
Ib
hfe
dove, oltre già conosciute Ib
costruttivo del transistor.
ed Ic, è presente il valore hfe parametro
Negli stati di funzionamento da interruttore, il
transistor ha comunque piccole perdite di
potenza.
Esistono in commercio transistor che
presentano valori di corrente elevate (500A),
ma basse tensioni oppure transistor con
elevate tensioni di breakdown (3000V) e
correnti di qualche decine di ampere.
