View
226
Download
2
Category
Preview:
Citation preview
Il Diodo
Sommario
• Cos’è il Diodo?– Concetti di base sulla fisica dei Semiconduttori– Silicio Intrinseco– Corrente di Deriva e Corrente di Diffusione– Silicio Drogato P o N– Giunzione PN
• Come funziona il Diodo?– Giunzione PN a circuito aperto– Giunzione PN: polarizzazione diretta
– Giunzione PN: polarizzazione inversa
Sommario
• Come si caratterizza il diodo– Caratteristica I/V a soglia nulla– Caratteristica I/V a soglia non nulla– Caratteristica I/V esponenziale– Caratteristica I/V PWL
• Dove si usa il diodo– Esempi Applicativi– Simulazione con PSPICE
Silicio Intrinseco
Elemento del IV gruppo nella tavola periodica degli elementi
4 elettroni di valenza
Forma 4 legami covalenti con i 4 atomi vicini
MONOCRISTALLINO: STRUTTURA DEL
DIAMANTE (TETRAEDRO)
Silicio Intrinseco Modello a Bande Energetiche Due tipi di portatori di Carica: elettroni e lacune. Elettroni => carica negativa. Lacune => carica positiva Elettroni si muovono in banda di Conduzione Lacune si muovono in banda di Valenza
ESEMPIO
Materiale Isolante: la banda di valenza è piena di elettroni, mentre quella di conduzione è vuota.
NON C’E’ CORRENTE
Concentrazione Intrinseca
Concentrazione intrinseca dei portatori (elettroni e lacune) Rapporto 1-1 elettroni-lacune (coppia elettrone-lacuna) Eg Energia di Band-gap T: temperatura assoluta in gradi Kelvin M:costante dipendente dal materiale
T↑
3/ 2 2
10
15
15 3 3/ 2
5
3.3 10
1.12
8
ad es. (300 ) 10
(600 ) 1.
.62 /
5 10
10
gE
kTi
i
g
oi
o
n T M T
M cm K
E eV
k eV K
e
n K
n K
in p n T
Conducibilità Modello: un portatore di carica si muove nel reticolo cristallino per agitazione termica urtando gli atomi del reticolo => velocità media NULLA, tempo libero medio (tempo inter-urto)
Se un campo elettrico E viene applicato…(ed es. portatore = elettrone)
C
EF a E am q q
m accelerazione
a E E2 2C C
n nv qm
Vel. media
Velocità di trascinamento si sovrappone al moto disordinato dei portatori
Mobilità degli elettroni[cm2/Js]
Corrente di Trascinamento Corrente = numero di portatori medio che attraversa la sezione A nell’unità di tempo
E’ uguale alla quantità di carica presente nel parallelopipedo di volume Avn
I v En n nqn A qn A corrente
nvConcentrazione
portatori[1/cm3]
1
n
lR
qn A Resistenza: proporzionale alla lunghezza e inversamente
proporzionale alla sezione
Conducibilità [OHM-1cm-1]
Corrente di Trascinamento Applicando le equazioni precedenti sia a elettroni che a lacune
1
n p
lR
qn qp A
Resistenza: proporzionale alla lunghezza e
inversamente proporzionale alla sezione
v v E En p n p n pI I I qn A qp A qn A qp A
a E E2 2Cp Cp
p pv qm
(carica lacuna positiva)
Concentrazione lacune[1/cm3]
Corrente Diffusiva concentazione portatori non costante nello spazio (ad es. lacune)
x
p
0x 0 cx 0 cx
cLunghezza media del percorso tra due urti successivi
Moto disordinato => il singolo portatore si muove a destra o a sinistra con la stessa probabilità (=1/2)
Numero di portatori che passano x0 da destra a sinistra in
0
1
2 c cp x A
c
Numero di portatori che passano x0 da sinistra a destra in
0
1
2 cp x Ac
Corrente Diffusiva
x
p
0x 0 cx 0 cx
pFlusso delle lacune: numero di portatori che si spostano nell’unità di tempo e di area
2
0 0
1
2 2cc
p c pc c
dp dpp x p x D
dx dx
0 0 0c c
dpp x p x x
dx Taylor I ordine Coefficiente di
diffusione delle lacune
Corrente Diffusiva
x
p
0x 0 cx 0 cx
p p
dpI qAD
dx
Moltiplicando il flusso diffusivo per la carica dei portatori e per la sezione A del semiconduttore, si ottiene la corrente diffusiva
n n
dnI qAD
dx
Drogaggio tipo N Se il Si viene “drogato” con elementi del V gruppo, come Fosforo (P) o Arsenico (As) più elettroni saranno disponibili in conduzione rispetto al Si intrinseco Le impurità del gruppo V sono chiamate “Donatori” Il drogaggio è di tipo N
Drogaggio tipo P
Se il Si viene “drogato” con elementi del III gruppo, come Boro (B) più lacune saranno disponibili in valenza rispetto al Si intrinseco Le impurità del gruppo III sono chiamate “Accettori” Il drogaggio è di tipo P
Diodo a giunzione
convenzione Ohm per tensione e corrente…
Silicio monocristallino nel cui reticolo un atomo di Si ogni 103105 è sostituito da un
atomo di B (o altro elemento trivalente)
p-Si
n-Si
Silicio monocristallino nel cui reticolo un atomo di Si ogni 106108 è sostituito da un atomo di P (o altro elemento pentavalente)
giunzione
V
Ianodo
catodo
Diodo a giunzione I portatori (lacune e elettroni) diffondono verso le zone a più bassa concentrazione Cariche fisse vengono lasciate nell’intorno della giunzione La regione di cariche fisse viene chiamata regione “svuotata” (vuota da cariche libere…) A regime con corrente nulla diffusione e campo elettrico si EQUILIBRANO
Diodo – Equilibrio
0nx0px0
corrente di deriva degli elettroni corrente diffusiva degli elettroni corrente di deriva delle lacune corrente diffusiva delle lacune
A vuoto la corrente deve essere NULLA! All’interno della regione svuotata, l’equilibrio delle correnti è dato dai 4 contributi…
Diodo – Polarizzazione Diretta
corrente di deriva degli elettroni corrente diffusiva degli elettroni corrente di deriva delle lacune corrente diffusiva delle lacune
0FV
La polarizzazione riduce il campo (…e la regione svuotata) alla giunzione e la
componente diffusiva prende il sopravventoCorrenti ELEVATE
Diodo – Polarizzazione Inversa
corrente di deriva degli elettroni corrente diffusiva degli elettroni corrente di deriva delle lacune corrente diffusiva delle lacune
0RV
La polarizzazione aumenta il campo (…e la regione svuotata) alla giunzione e la componente diffusiva tende a zero
Correnti BASSISSIME
Diodo – Modello Esponenziale
V
I
1
ln 1
T
V
VS
TS
I I e
IV V
I
, ln se qualche
0 se 0
T
V
VS T T
S
II I e V V V V
I
I V
Diodo – Modello Esponenziale
VT (tensione termica) = k·T/q
k (costante di Boltzmann) 1.38·10-23 J/°K q (carica elettronica) 1.6·10-19 C T =temperatura assoluta= temperatura in ºC+273.15
VT(17°C) = 25mV
VT(28°C) = 26mV
VT(40°C) = 27mV
IS (corrente di saturazione): si esprime spesso in fA ma è
proporzionale all'area del diodo.
Diodo – Modello Esponenziale
1 21 2
22 1
1
3 32
1
ln ; ln
ln
10 26 10 ln10 26 10 2. 0mV3 6
T TS S
T
I IV V V V
I
V
I
IV V V V
I
I
I
Diodo – Modello Esponenziale Caratteristica esponenziale in scala semilogaritmica
0.54V 0.6V 0.66V 0.72V
100μA
1mA
10mA
60mV/decade
26
10T
S
V mV
I fA
Diodo – Modello Esponenziale Caratteristica esponenziale in scala semilogaritmica
0V 0.06V 0.12V 0.18V10fA
1pA
10pA
26
10T
S
V mV
I fA
100fA
10 !!!SI fAAsintoto =>Metodo usato sperimentalmente per il
calcolo di IS
Diodo – Punto di Lavoro
RI ?E
VD E -
RDV
I
T
T
S
VS
E V- ln 1 ( )
R R I
RI 1 E=g( )DV
D D
II f I
V e V
Iterazioni numeriche…
Diodo – Punto di LavoroProblema: calcolare un valore X* tale che X* = f(X*)
Si può risolvere per approssimazioni successive se la successione {X0, X1, ... Xk, Xk+1 ...} definita in modo ricorrente
Xk+1 = f(Xk) è convergente.
Convergenza al punto fisso:
se Xk=X*+, Xk+1 = f(X*+) f(X*)+f '(X*)·X*+f '(X*) ·
Xk+1 – X*| < | Xk – X*| se | f '(X*) | < 1
Diodo – Punto di Lavoro
T
T
S
VS
E V- ln 1 ( )
R R I
RI 1 E=g( )DV
D D
II f I
V e V
' TS
' TT
S
V( ) 1 se I
R
V( ) 1 se V ln
RID D
f I I
g V V
es. PuntoFissoDiodo.nb
RI ?E
VD
Diodo – Modello Soglia + R
• I = 0 per V V
• V = V +RS I per I 0
V
I
V
Diodo – Modello Soglia
• I = 0 per V V
• V = V per I 0
V
I
V
Diodo – Modello Soglia Nulla
V
I
• I = 0 per V 0• V = 0 per I 0
Diodo a Giunzione Reale - Rs
Vd. diodeWithRs.cir
Una resistenza serie Rs non nulla tiene conto delle perdite del materiale
Rs
VD
ID
ID
VD
1nA
1uA
1mA
1A V0DI
Metodo Calcolo Sperimentale Rs1. Fisso ID0 (oltre il “gomito”)2. Misuro V (differenza tra curva Reale e
Ideale)
0s
D
VR
I
Diodo a giunzione Reale – Carica
0 1 Dj D
B
VQ V q
La carica è una funzione non-lineare della tensione applicata
q0: costante che dipende dalle concentrazioni dei droganti, dalla costante dielettrica del silicio, dal potenziale built-in di giunzione, dalla carica elementare, e dalla sezione A del diodo
0 2 a ds B
a d
N Nq A q
N N
,
12
,
8.85 10 F/m
12
s o r s
o
r s
Diodo a giunzione Reale – Carica
CONDENSATORE NON LINEARE
Si può calcolare la capacità ai piccoli segnali
d
jj D D j D D
V
dQQ V v Q V v
dV
0
2 1d
jj D
DVB
B
dQ qC V
dV V
0 DV
JC
Comportamento Dinamico
Vd. dynamicSwitchDiode.cir
Esercizio con capacità non-lineare…
Diodo – Funzioni Logiche
Porta OR Porta AND
Diodo – Raddrizzatore a Semionda
Vin R
I
Vout
Modello a soglia nulla:
I = max{0,Vin/R}
Vout = R I = max{0,Vin}
Vin
Vout
Diodo – Raddrizzatore a Semionda
t
V
Vin
0 t0
T/2
Vout
Vin1
calcolo del valor medio ingresso e uscita?
Diodo – Rilevatore di Cresta
VinR+
-
Vout
C
Modello a soglia:Vout = Vin-V
oppureVout>Vin-V
Modello a soglia nulla:Vout = Vin
oppureVout>Vin
Diodo – Rilevatore di Cresta
Vin
Vout
0.65+Vout
R
Diodo – Rilevatore di Cresta
Vin
Vout
R di valore finito
Recommended