Lezione 3

Polarizzazione Diretta (1)
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
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Leonello Servoli
1
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 – 1) ; VT=T/11600 ; V =25 mV ;
T
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1
Polarizzazione inversa (1)
E
Con la polarizzazione inversa della giunzione, la barriera di
potenziale aumenta  diminuisce la mobilità dei portatori
maggioritari e aumenta quella dei portatori minoritari
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Leonello Servoli
1
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 = 1 µA ;
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1
Polarizzazione diretta ed inversa
Polarizzazione inversa: regione di svuotamento si allarga.
Polarizzazione diretta: regione di svuotamento si restringe.
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1
Concentrazione di portatori
Polarizzazione Diretta
Polarizzazione Inversa
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1
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.
V1
V2
V1 + V2 + V3 = 0
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V3
1
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.
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Leonello Servoli
1
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;
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1
Relazioni I-V (1)
•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.
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1
Relazioni I-V (2)
a) Dispositivo Ohmico
∆V
∆I = R
b) Dispositivo non Ohmico
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1
Caratteristica I-V ideale e reale
I = I0(eV/V – 1)
T
I = I0
Reale
Ideale
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1
Tensione di soglia
Tensione al di sopra
della quale il diodo si
considera polarizzato
direttamente.
0,2 V
0,6 V
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1
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
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V
1
Modello equivalente di diodo
b) Modello per polarizzazione
diretta.
c) Modello per polarizzazione
inversa.
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1
Diodi Zener (1)
•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.
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1
Diodi Zener (2)
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1
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.
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1
Diodo Zener (4)
VKA
Rz
= 5.6 V
= 0.01 Ω
Iz = 500 mA
E = 20 V
Legge delle maglie: E – Iz R – VKA = 0

R = (E – VKA)/I = 28.8 Ω
Se ∆E = 10%  E1 = 22 V che succede?
E1–Vz – I(R+Rz)  I = (E1–Vz)/(R+Rz) = 0.569 mA
V1KA = Vz + Rz I = 5.606 V  ∆V = 0.1 %
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1
Elementi circuitali
• Batteria: generatori di forza elettromotrice
(differenza di potenziale)  + •
•
•
•
•
o
Resistenza 
Filo di resistenza trascurabile 
Condensatori 
Diodi 
Transistor 
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Leonello Servoli
1
Leggi dei circuiti (1)
• Definizione: si dice nodo un punto in cui
confluiscono tre o più conduttori.
• Definizione: si dice maglia un percorso
chiuso fatto seguendo i conduttori
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Leonello Servoli
1
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)
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Leonello Servoli
1
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.
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Leonello Servoli
1
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;
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1
Circuito RC senza alimentatore
C2-P
IC=3
C2
15n
Simulatore SIMetrix
15k
R1
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Leonello Servoli
1
Circuito RC con alimentatore
V1
C2-P
5
C2-P
IC=3
C2
3.5n
15k
R1
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1
Transitorio per una giunzione p-n
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1
Esempio (1)
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1
Esempio (2)
• v1 = v2 = 0
 la ∆V ai capi dei diodi è 0
 i diodi sono polarizzati inversamente (∆V<Vsoglia)
 v0 = 0
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1
Esempio (3)
• v1 = V; v2 = 0
 supponiamo che D1 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 )
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Leonello Servoli
1
Esempio (4)
• v1 = V; v2 = V
 supponiamo che D1 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 )
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Leonello Servoli
1
Come usare SIMetrix
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Leonello Servoli
1
Simulazione dell’esempio:
V1
D1
D1N4148
V1
Vout
V2
V2
D2
D1N4148
50k
R3
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Leonello Servoli
1