5 Cenni sui principali dispositivi basati sulle giunzioni p-n

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CENNI SU ALCUNI DISPOSITIVI ELETTRONICI
A STATO SOLIDO
Il diodo come raddrizzatore
Un semiconduttore contenente una giunzione p-n, come elemento di un circuito elettronico si
chiama diodo e viene indicato con il simbolo
La sua capacità di far passare la corrente in un solo verso è utilizzata per realizzare un
raddrizzatore, cioè un dispositivo che trasforma la corrente alternata (c. a.) in corrente continua.
Con un solo diodo si può realizzare il raddrizzatore a una semionda mostrato nella Figura qui
sotto.
La tensione di uscita non è mai negativa, ma per metà del tempo è nulla. Per migliorare l’efficienza
si usa il raddrizzatore a ponte riportato qui sotto. Quando il terminale di sinistra è + e quello di
destra è -, la corrente scorre lungo la linea rossa, attraversa il carico o la batteria da ricaricare (non
mostrate) e torna al generatore di c. a. attraverso il percorso blu. Il terminale alto è + e quello basso
è -.
Nella semionda in cui il terminale di sinistra del ponte è - e quello di destra è + (Figura qui sotto) la
corrente scorre lungo la linea rossa, attraversa il carico o la batteria (non mostrate) dal + al - e torna
al generatore di c. a. attraverso il percorso blu. Il terminale alto anche questa volta è + e quello
basso è -.
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Quindi il terminale di uscita in alto è sempre positivo, durante entrambe le semionde della c. a. in
ingresso. La tensione in uscita è mostrata in Figura.
Le foto mostrano come si presenta un singolo diodo a semiconduttore e un ponte di diodi.
Infine, per evitare che la tensione raddrizzata abbia l’aspetto della Figura in alto, si può aggiungere
un filtro integratore costituito da un condensatore e una resistenza, come nella Figura sotto.
La costante di tempo di integrazione è τ = R1C1.
€
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delle
I GENERATORI DIPENDENTI
La retta di carico
Supponiamo che A sia un dispositivo non lineare in serie a una resistenza di carico R,
polarizzato esternamente da E.
iD = corrente totale vD = tensione totale ID = corrente d.c.
VD = tensione d.c.
id = corrente a.c.
vd = tensione a.c. .
iD = I D + i d
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A
La funzione
iD = f (vD )
non nota analiticamente, viene graficata insieme alla retta di carico (load line) data
dalla legge di Ohm
L'intersezione con la curva fornisce il punto di lavoro del dispositivo A, ovvero
corrente e tensione di funzionamento.
Supponiamo ora di poter variare la caratteristica I-V del dispositivo non lineare
mediante una polarizzazione esterna
come in Figura, ottenendo così una famiglia di curve
dove ora iD e quindi vD, sono controllati dalla corrente iT
I D = f (I T )
VD = g (I T )
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Nel caso in figura, una variazione di 0.05 (= 0.10-0.05) mA in iT
porta ad una variazione di 4 (=10-6) mA in iD fi amplificazione = 4/0.05 = 80.
Se poi ∆ID /∆IT = cos t avremo un'amplificazione fedele;
Se, infine, variando opportunamente iT possiamo variare iD fra 0 e E/R, avremo un
commutatore elettronico che funzionerà come un relé, che è un commutatore
elettromeccanico: un generatore dipendente ON/OFF. Quando I1 circola nella bobina,
€ il campo magnetico chiude il circuito e circola anche I2.
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IL TRANSISTORE BIPOLARE A GIUNZIONE
Consideriamo una giunzione polarizzata inversa. La corrente inversa dipende solo
dalla generazione di carica vicino, o entro, la regione di svuotamento, ed e’ pertanto
indipendente da Vr mentre dipende linearmente, p.e., da una generazione ottica, come
nel fotodiodo (primo e secondo pannello in Figura).
p
n
p
n
In modo analogo possiamo pensare di iniettare idealmente delle lacune nella regione
di svuotamento per controllare I indipendentemente dal valore di V – e pertanto della
resistenza di carico RL fi tale dispositivo sarebbe una buona approssimazione di un
generatore di corrente.
Una giunzione p+-n e’ un iniettore di lacune, come abbiamo gia’ visto, quando e’
polarizzato direttamente. Se ora consideriamo una struttura p+-n-p, quando la
giunzione p+-n, di emettitore, e’ polarizzata direttamente, inietta lacune nella regione
n.
p+
n
p
La Figura a sinistra è lo schema di un transistore p-n-p nella configurazione a base
comune, con le sue alimentazioni. Di seguito lo schema è ripetuto per mostrare il suo
funzionamento.
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Le lacune iniettate da E attraversano velocemente la giunzione diretta EB e vengono
accelerate dalla pol. inversa di BC verso C. Quindi la corrente di collettore IC e’
indipendente da tale pol., mentre dipende dalla corrente di lacune iniettata
dall’emettitore e pertanto dalla polarizzazione diretta dell’emettitore fi c'è
accoppiamento fra le due giunzioni.
In B le lacune sono portatori minoritari e si ricombinano con gli elettroni. Per ogni
coppia che si ricombina, deve arrivare un elettrone in B per ristabilire l'equilibrio
neutro con i donori: ciò crea la debole corrente di base IB. IB - che è fissata
unicamente dal punto di lavoro della giunzione BE, cioè dal circuito esterno di
base - controlla la forte corrente IC. Infatti se calasse IB senza che cali anche IC , si
produrrebbe un accumulo di lacune in B. La base diventerebbe più positiva,
diminuendo la polarizzazione, cioè alzando la barriera della giunzione BE per le
lacune che provengono da E e quindi in definitiva abbassando IC. Quindi:
La corrente di base regola la ricombinazione in B
La ricombinazione regola il potenziale della barriera BE
Il potenziale tra B ed E regola la corrente di emettitore e quindi quella di collettore.
Per
- tenere bassa la ricombinazione
- tenere bassa la corrente inversa di elettroni da B ad E
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la base è sottile e poco drogata. In tal modo il tempo di transito
τ B << τ p , la vita media delle lacune in B (ovvero larghezza della base W << Lp
lunghezza di diffusione), e IB << IC. Perciò, applicando la legge dei nodi, si vede che
IC ≅ IE
€
Nello stesso modo, con polarità invertite, funziona un transistore n-p-n. I simboli
circuitali dei due tipi di transistore sono questi:
€
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Il Transistore come amplificatore di tensione
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Transistore a efetto di campo
(Junction Field-Effect Transistor, JFET)
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Metal-Oxide-Semiconductor FET: MOSFET
Sono adatti alla Very Large Scale Integration (VLSI) e possono
diventare porte logiche, ma anche microresistenze o, in versione
semplificata, microcapacità (MOS capacitor) per stoccare un bit in
memoria sotto forma di una piccola carica elettrica.
2 tipi: Enhancement (arricchimento) MOSFET;
Depletion (svuotamento) MOSFET
(arricchimento)
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