Elettronica digitale
Elettronica digitale
Corso di Architetture degli Elaboratori
Elettroni di valenza 1
Elettroni di valenza
Gli elettroni nello strato esterno di un atomo sono detti
elettroni di valenza. Tali elettroni hanno effetto sulle
reazioni chimiche dell’atomo e determinano le proprietà
elettriche dell’elemento.
RETI LOGICHE
2
Elettroni di valenza 2
Gli elettroni di valenza, liberandosi dai relativi atomi,
determinano la conduttività dei solidi.
La corrente elettrica che attraversa il solido è costituita
da flussi di elettroni di valenza liberati.
• Conduttori: grandi quantità di elettroni di valenza liberi
a temperatura ambiente
• Isolanti: scarse quantità di elettroni di valenza liberi
a temperatura ambiente
• Semiconduttori: discrete quantità di elettroni di
valenza liberi a temperatura ambiente
RETI LOGICHE
3
Teoria delle bande
Bande di energia
Le proprietà elettriche della materia sono descritte per
mezzo della teoria delle bande, in termini di quantità di
energia necessaria per liberare elettroni di valenza.
RETI LOGICHE
4
Livello di Fermi 1
Livello di Fermi
Livello di Fermi è il termine utilizzato per indicare il più
alto livello di energia a cui si può trovare un elettrone
alla temperatura di 0 gradi Kelvin (quindi in assenza di
energia termica)
RETI LOGICHE
5
Livello di Fermi 2
La probabilità che un elettrone si trovi al di sopra del
livello di Fermi aumenta al crescere della temperatura.
La probabilità che un elettrone finisca in banda di
conduzione aumenta con la temperatura ed è maggiore
quanto minore è il gap tra livello di Fermi (e quindi
banda di valenza) e banda di conduzione
RETI LOGICHE
6
Proprietà di Si e Ge
Proprietà del silicio e del germanio
Formano reticoli cristallini le cui proprietà elettriche
possono essere modificate sostanzialmente con una
limitata sostituzione di atomi (drogaggio)
RETI LOGICHE
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Cristalli di Si e Ge
In un cristallo di silicio (o
germanio) i 4 elettroni di
valenza sono posti in comune
tra atomi contigui nel cristallo.
RETI LOGICHE
8
Semiconduttori intrinseci 1
Semiconduttori intrinseci
In un cristallo di Si (o Ge) si ha, ad ogni temperatura al
di sopra dello zero assoluto, una probabilità non nulla che
un elettrone finisca in banda
di conduzione.
L’elettrone abbandona l’atomo
relativo (che diventa uno ione
carico positivamente) lasciandosi
dietro una lacuna.
RETI LOGICHE
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Semiconduttori intrinseci 2
In presenza di una tensione applicata, sia elettroni
che lacune contribuiscono ad una piccola corrente.
RETI LOGICHE
10
Semiconduttori intrinseci 3
A temperatura ambiente (25° C) il numero ni di elettroni
che statisticamente è passato in banda di conduzione è
dell’ordine di 1010 elettroni/cm3.
La densità di atomi nel cristallo è dell’ordine di
1022 atomi/cm3, per cui all’incirca un atomo ogni 1012
perde un elettrone di valenza.
Per il bilanciamento delle cariche, si ha anche che pi=ni.
Conduttività di un semiconduttore = q(meni+mlpi),
dove q= carica dell’elettrone,
me,ml = mobilità di elettroni e lacune
Conduttività dell’ordine di q(me+ml)1010
RETI LOGICHE
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Semiconduttori drogati 1
Semiconduttori drogati
L’aggiunta di una piccola percentuale di atomi di altri
elementi nel cristallo comporta forti cambiamenti nelle
proprietà elettriche del cristallo, che viene detto drogato.
(5 elettroni di valenza)
fornisce 1 elettrone
aggiuntivo (donatore).
Drogaggio di tipo n
(3 elettroni di valenza)
fornisce 1 lacuna
aggiuntiva (accettore).
Drogaggio di tipo p
RETI LOGICHE
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Drogaggio di tipo n
Drogaggio di tipo n
L’aggiunta di impurità pentavalenti (Sb, As, P)
introduce elettroni liberi, non inseriti nella struttura
cristallina, aumentando la conduttività del semiconduttore
RETI LOGICHE
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Drogaggio di tipo p
Drogaggio di tipo p
L’aggiunta di impurità trivalenti (B, Al, Ga) crea
deficienze di elettroni di valenza, lacune, aumentando
la conduttività del semiconduttore
RETI LOGICHE
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Semiconduttori drogati 2
Drogaggio tipicamente dell’ordine di 1015 atomi/cm3
(un atomo drogato ogni 107).
Numero nn di elettroni in cristallo drogato n (o pp di
lacune in cristallo drogato p) dell’ordine di 1015
particelle/cm3, dovuti quindi in pratica al solo drogaggio.
Diminuzione, per la maggiore ricombinazione, di lacune
in cristallo n e di elettroni in cristallo p.
Quindi
nn>>ni= pi>>pn e pp>>pi= ni>>np
RETI LOGICHE
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Semiconduttori drogati 3
In generale, si può mostrare che il prodotto tra le
concentrazioni di elettroni e lacune è indipendente dal
drogaggio: nnpn = nipi= nppp, e dell’ordine di 1020.
Quindi, np e pn sono dell’ordine di 105 particelle/cm3.
Ricordando che la conduttività di un semiconduttore è
pari a q(meni+mlpi), ne deriva che la conduttività di un
semiconduttore drogato è dell’ordine di q(me+ml)1015
Un semiconduttore drogato conduce 100.000 (105) volte
meglio di un semiconduttore intrinseco (non drogato).
RETI LOGICHE
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Giunzione p-n
Giunzione p-n
Porre a contatto semiconduttori drogati in modo opposto,
formando una giunzione, introduce delle proprietà
elettriche molto interessanti.
Quando materiali di tipo n e di tipo p sono a contatto
la giunzione si comporta in modo molto diverso rispetto
ai due materiali considerati da soli.
RETI LOGICHE
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Regione di svuotamento
Regione di svuotamento
Quando si forma una giunzione p-n, una parte degli
elettroni liberi nella regione n si diffondono attraverso la
giunzione e si combinano con lacune nella zona p.
Ciò comporta che, intorno alla giunzione, vengono creati
ioni positivi nella zona n e ioni negativi nella zona p.
RETI LOGICHE
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Equlibrio alla giunzione
Equilibrio alla giunzione
In assenza di tensioni applicate, la giunzione è in
equilibrio, in quanto gli ioni nella regione di svuotamento
impediscono il passaggio di elettroni (da n a p) o lacune
(da p ad n) attraverso la giunzione.
RETI LOGICHE
19
Polarizzazione inversa della giunzione 1
Polarizzazione inversa della giunzione
Se la tensione applicata è negativa sulla parte p
e positiva sulla parte n, il passaggio della giunzione è reso
ancora più difficile.
RETI LOGICHE
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Polarizzazione inversa della giunzione 2
L’applicazione di tenzione inversa alla giunzione p-n
causa una corrente temporanea (elettroni e lacune sono
spinti lontano dalla regione di svuotamento).
La corrente termina quando il potenziale formato nella
regione di svuotamento bilancia la tensione applicata.
Rimane allora soltanto una piccola corrente intrinseca.
RETI LOGICHE
21
Polarizzazione diretta della giunzione 1
Polarizzazione diretta della giunzione
Se la tensione applicata è positiva sulla parte p e negativa
sulla parte n, il passaggio della giunzione è reso più facile.
RETI LOGICHE
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Polarizzazione diretta della giunzione 2
La tensione applicata in modo diretto spinge lacune dalla
regione p ed elettroni dalla regione n verso la giunzione.
Elettroni e lacune si combinano alla giunzione ed un flusso
continuo di corrente viene mantenuto attraverso la
giunzione.
RETI LOGICHE
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Comportamento di un diodo 1
Comportamento di un diodo
In definitiva, il comportamento di una giunzione p-n
è tale da far sì che essa conduca corrente in una
direzione, ma non nella direzione opposta.
La giunzione p-n è alla base del diodo, utilizzato in
generale come componente conduttore unidirezionale.
RETI LOGICHE
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Comportamento di un diodo 2
Se VA > VB la giunzione è polarizzata direttamente:
il diodo fa pochissima resistenza e scorre una corrente
sostenuta da A verso B.
Se VA < VB la giunzione è polarizzata in modo inverso:
il diodo fa molta resistenza e scorre una corrente
molto bassa (da conduzione intrinseca) da B verso A.
RETI LOGICHE
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Diodi e porte logiche
Implementazione di porte logiche mediante diodi
x
y
z
x
y
z
0
0
~0
0
+5
~ +5
+5
0
~ +5
+5
+5
~ +5
x
y
z
0
0
~0
0
+5
~0
+5
0
~0
+5
+5
~ +5
Porta OR
+5V
x
z
y
Porta AND
RETI LOGICHE
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Struttura di un transistor a giunzione
Struttura di un transistor a giunzione
Un transistor a giunzione consiste di 3 regioni di
semiconduttori drogati: emettitore, collettore (drogati
allo stesso modo) e base (drogata nel modo opposto,
sottile e posta tra di essi).
RETI LOGICHE
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Funzionamento di un transistor
Funzionamento di un transistor
Un transistor può operare in tre modalità diverse, a
seconda se le due giunzioni base-emettitore e
base-collettore sono polarizzate in mdo diretto o inverso.
BE diretta – BC inversa: zona attiva
BE diretta – BC diretta: in saturazione
BE inversa – BC inversa: chiuso
La condizione BE inversa – BC diretta non è considerata
in quanto equivale sostanzialmente a BE diretta – BC
inversa.
RETI LOGICHE
28
Transistor in zona attiva 1
Transistor in zona attiva
Gli elettroni emessi
dall’emettitore possono:
• combinarsi con le
lacune nella base
• diffondersi attraverso
la base ed uscire dal
morsetto di base (IB)
• diffondersi attraverso
la base nel collettore
ed uscire dal morsetto
di collettore (IC)
RETI LOGICHE
29
Transistor in zona attiva 2
Transistor in zona attiva
La corrente IC dal collettore è circa il 99% della corrente
IE dall’emettitore.
La corrente di base IB è una piccola frazione (1/b) della
corrente di collettore.
RETI LOGICHE
30
Transistor in saturazione
Transistor in saturazione
La giunzione CB polarizzata direttamente tende ad
indurre una corrente da collettore a base,
inversa rispetto ad IE.
Inizialmente, IC tende ad invertire di verso,
decrescendo fino a 0. Poi cresce nella direzione inversa.
In questa situazione:
VBC @ VBE
o anche
VCE @ 0
RETI LOGICHE
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Transistor chiuso
Transistor chiuso
La giunzione BE polarizzata inversamente riduce a
(quasi) 0 la corrente che l’attraversa: ne deriva
che per la corrente di emettitore si ha IE @ 0.
Dato che anche la giunzione BC è polarizzata
inversamente, e quindi IC @ 0, ne deriva che
IB @ 0.
RETI LOGICHE
32
Configurazione common emitter
Configurazione common emitter
The entire normal range of
silicon transistor operation
involves a change in baseemitter voltage of only about
two-tenths of a volt. This is
because the base-emitter
diode is forward biased. One
of the constraints on
transistor action is that this
voltage remains at about 0.6
volts (often referred to as the
diode drop). A small change
in VBE can produce a large
change in collector current
and achieve current amplification
RETI LOGICHE
33
Curve caratteristiche in common emitter 1
Curve caratteristiche in common emitter: curve di input
La relazione tra corrente di
base e tensione VBE tra base
ed emettitore è determinata
dal fatto che sono corrente e
tensione attraverso una
giunzione (polarizzata
direttamente).
RETI LOGICHE
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Curve caratteristiche in common emitter 2
Curve caratteristiche in common emitter: curve di input
A parità di VBE, un aumento
di VCE comporta una
diminuzione di IB.
Per VBE=0,60,7 Volts la
giunzione BE passa in forte
conduzione ed IB assume
valori elevati.
Piccole variazioni VBE
Forti variazioni IB (e IC)
RETI LOGICHE
35
Curve caratteristiche in common emitter 3
Curve caratteristiche in common emitter: curve di output
La relazione tra corrente di collettore e tensione VCE tra collettore
ed emettitore è determinata dal fatto che (considerata BE
polarizzata direttamente a 0,60,7 Volts) sono corrente e
tensione attraverso una giunzione (polarizzata inversamente).
RETI LOGICHE
36
Curve caratteristiche in common emitter 4
Curve caratteristiche in common emitter: curve di output
Zona
attiva
Saturazione
Chiuso
Zona attiva: IC dipende da IB, poco da VCE
Saturazione: IC dipende poco da IB, molto da VCE
Chiuso: IC dipende poco da IB, poco da VCE
RETI LOGICHE
37
Retta di carico
Retta di carico
La retta di carico descrive i possibili punti in cui può
operare il transistor in una configurazione common
emitter
RETI LOGICHE
38
Transistor come interruttore 1
Transistor come interruttore
Vin=0
La giunzione EB è
polarizzata
inversamente
IB@ 0
RETI LOGICHE
Punto di operazione
39
Transistor come interruttore 2
Transistor come interruttore
Vin=V
La resistenza RB è tale
che VBE @ 0,6 Volts
Punto di operazione
La giunzione EB è
polarizzata fortemente
in modo diretto
RETI LOGICHE
IB elevata
40
Implementazione porta NOT
Implementazione porta NOT
Da quanto visto:
Vin=0
Vout @ V
Vin=V
Vout @ 0
Assumiamo (logica positiva) che:
Vin @ 0 indichi il valore 0
Vin @ V indichi il valore 1
Quindi:
input=0
output=1
input=1
output=0
RETI LOGICHE
41
Implementazione porta NAND
Implementazione porta NAND
Vout @ 0 se e solo se
VA @ V e
VB @ V
Altrimenti Vout @ V
In logica positiva: porta NAND
RETI LOGICHE
42
Implementazione porta NOR
Implementazione porta NOR
Vout @ 0 se
VA @ V o
VB @ V
Altrimenti Vout @ V
In logica positiva: porta NOR
RETI LOGICHE
43
Struttura di un transistor CMOS
Transistor CMOS
Source (sorgente)
Gate (porta)
Drain (pozzo)
La corrente per scorrere da S a D
deve attraversare la zona G,
drogata in modo opposto
RETI LOGICHE
44
Funzionamento di un transistor CMOS 1
Transistor CMOS
In generale, dato che gli elettroni sono rari nella regione
di Gate, drogata p, mentre le lacune sono rare nelle
regioni di Drain e di Source, drogata n, solo una
limitatissima corrente scorre da D a S (assumiamo VSD <0).
Lo stesso avviene se G è carica negativamente.
RETI LOGICHE
45
Funzionamento di un transistor CMOS 2
Transistor CMOS
Se G viene caricata positivamente, gli elettroni nella
regione di Gate sono attratti nella zona tra le regioni di
Drain e di Source, formando un canale con forte
concentrazione di elettroni tra le due regioni drogate n.
Una corrente (di elettroni) può scorrere tra D ed S.
RETI LOGICHE
46
Funzionamento di un transistor CMOS 3
Transistor CMOS
Il comportamento di un
transistor CMOS è simile
a
quello di un transistor a
giunzione.
Differenze rispetto ad un transistor a giunzione:
• maggiore resistenza su D rispetto alla base di un
transistor a giunzione: minor consumo
• maggiore tempo di commutazione
RETI LOGICHE
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