La fisica del diodo e del
transistor BJT
I conduttori
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Sostanze che permettono il passaggio di corrente se sottoposti a una d.d.p
I conduttori sono i metalli in generale; i migliori sono: rame, ferro, oro,
platino.
La caratteristica di conduzione di elettricità è dovuta alla struttura atomica:
gli elettroni più esterni sono quasi liberi perché risentono poco dell’influenza
del nucleo a causa degli elettroni più interni che schermano la forza di
attrazione del nucleo.
Quando i conduttori sono sottoposti a temperature più o meno alte, la
conducibilità diminuisce a causa dell’aumento dell’agitazione termica che
impedisce il movimento degli elettroni di conduzione. La variazione della
resistenza avviene secondo la seguente legge
R=R0(1+aDT)
Dove: R0 è la resistenza a temperatura ambiente di circa 25°C
a è una costante tipica del conduttore in considerazione detta anche
coefficiente di temperatura
DT è la variazione di temperatura
I semiconduttori
• Hanno conducibilità intermedia tra quella dei
conduttori e degli isolanti
• Il coefficiente di temperatura è negativo, quindi,
la conducibilità aumenta all’aumentare della
temperatura
• Sono sensibili alle radiazioni luminose
• Sono sensibili ai campi elettrici
• Principali semiconduttori: germanio, silicio, boro,
arseniuro di gallio, solfuro di cadmio
La resistività
• Resistività (cm)
Materiale
• <10 -3
• 10 -3 <  <10 5
•  >10 5
Metalli
Semiconduttori
Isolanti
Orbitali
• Per comprendere l’atomica si schematizza la
struttura atomica come un sistema solare
microscopico con il nucleo centrale formato da
neutroni e protoni e, gli elettroni che ruotano
attorno
• In realtà ciò non è possibile perché gli elettroni,
essendo muniti di carica elettrica, possono
perdere energia nel compiere una traiettoria non
rettilinea e cadere di conseguenza sul nucleo
Orbitali
• L’orbitale non è un’orbita come si intendeva in fisica
classica
• L’orbitale rappresenta lo stato energetico dell’elettrone
• Non esistono infiniti orbitali ma sono in numero limitato e
stabilito da alcuni parametri detti numeri quantici
• Il numero quantico principale stabilisce il contenuto
energetico dell’elettrone e anche la vicinanza al nucleo
• Gli elettroni più vicini al nucleo hanno energia maggiore
• Per poter strappare un elettrone ad un atomo bisogna
dare il giusto contenuto energetico che è quello che
possiede l’elettrone in quello specifico orbitale
Bande energetiche
• Quando gli atomi di elementi si uniscono in molecole, si
formano le bande energetiche
• Le bande energetiche sono la sovrapposizione di orbitali
dei singoli atomi
• Si distinguono bande di valenza e bande di conduzione
eV
Quando due atomi vengono
avvicinati tra loro, si genera
una forza che causa una
distorsione delle loro nubi
elettroniche ed un
cambiamento dei livelli
energetici.
}banda di conduzione
}banda interdetta
}
banda di valenza
Le bande energetiche in dettaglio
Gli elettroni che possono prendere parte ad un legame covalente sono detti elettroni di
valenza
•
La banda di valenza contiene gli elettroni che intervengono nei legami
chimici
• La banda di conduzione contiene gli elettroni di conduzione ed è superiore
a quella di valenza come energia
• La banda interdetta separa le due precedenti; essa è detta anche Gap. In
base alla ampiezza energetica del Gap si possono distinguere tre casi:
a) Materiali conduttori: il gap ha ampiezza nulla o negativa e i due livelli
energetici sono sovrapposti
b) Materiali isolanti: il gap è molto ampio e anche con un campo elettrico molto
intenso gli elettroni non riescono a superare la banda interdetta
c) Materiali semiconduttori: il gap è piccolo, prossimo a 1 eV; per effetto
termico o per effetto di un piccolo campo elettrico gli elettroni potrebbero
passare dalla banda di valenza a quella di conduzione. A temperatura
ambiente 300 K, EG=0.72 eV per Ge e, EG=1.1 eV per Si
Germanio e Silicio
• Il Germanio e il Silicio sono tetravalenti,
cioè hanno quattro elettroni di valenza
• Gli elettroni liberi a temperatura ambiente
sono pochi quindi, la conducibilità
intrinseca è bassa
aumentando la
temperatura potrebbe aumentare la
conducibilità
Semiconduttori drogati
• Per aumentare la conducibilità dei
semiconduttori si introducono delle
impurità all’interno di essi
• Si dice che il semiconduttore viene
drogato
• Se si inserisce un elemento di valenza 3, il
semiconduttore è drogato di tipo P; se si
introduce una un elemento di valenza 5, il
semiconduttore è drogato di tipo N
Struttura di un semiconduttore puro
Nei semiconduttori gli atomi sono legati da legami covalenti secondo
una struttura cristallina come in figura
-
-
-
+
-
-
-
+
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-
+
-
-
+
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-
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-
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+
-
-
-
+
-
-
-
+
-
-
-
+
-
-
-
Struttura di un semiconduttore drogato di
tipo N
Nel semiconduttore puro si inseriscono degli atomi di valenza maggiore per cui,
alcuni elettroni risultano liberi perchè non sono impegnati nei legami covalenti. Il
semiconduttore risulta però sempre neutro. Gli elettroni liberi sono detti portatori
maffioritari
-
-
-
-
-
+
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-
+
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-
+
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+
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+
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-
-
+
-
-
-
+
-
-
-
+
-
-
Struttura di un semiconduttore drogato di
tipo P
Nel semiconduttore puro si inseriscono degli atomi di valenza minore per cui,
risultano zone prive di elettroni di valenza: le lacune o portatori minoritari.
-
-
-
+
-
-
-
+
-
-
+
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-
+
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-
+
-
-
+
-
-
-
+
-
-
-
+
-
-
-
La giunzione PN
• Se si unisce un semiconduttore drogato N con uno
drogato P, si ottiene la giunzione PN
P
- +
- +
- +
N
DV
Zona di
svuotamento
Poiché la distribuzione di cariche non è omogenea, si crea una corrente di diffusione
composta da cariche positive che vanno verso N e cariche negative verso P.
Nei pressi della giunzione si forma una zona detta di svuotamento, carica positivamente
in N e negativamente in P
Polarizzazione
• Quando poniamo in contatto due metalli differenti si crea tra essi
una differenza di potenziale. Questo è l’effetto Volta
• La barriera di potenziale può cambiare di ampiezza se si pone agli
estremi della giunzione una d.d.p
• Si dice che il diodo è polarizzato direttamente se si pone il polo
positivo della batteria sull’anodo e il negativo sul catodo e il diodo
conduce. La barriera di potenziale si abbassa e favorisce il
passaggio di elettroni o cariche maggioritarie
• Si dice che il diodo è polarizzato inversamente se si pone il polo
negativo della batteria sull’anodo e il positivo sul catodo e il diodo
non conduce. La barriera di potenziale si alza e gli elettroni non
riescono più a passare
Barriera di potenziale e
polarizzazione
-
P
+
- +
- +
- +
+
N
P
-
- +
- +
- +
N
DV
DV
Zona di
svuotamento
Zona di
svuotamento
Polarizzazione negativa
Polarizzazione positiva
Polarizzazione in dettaglio
• Polarizzazione positiva
• Polarizzazione negativa
Gli elettroni della zona
drogata n vengono attratti
dal polo positivo della
batteria creando una
zona di svuotamento non
neutra; non c’è passaggio
di corrente
Gli elettroni della zona
drogata n vengono attratti
dal polo positivo della
batteria superando la
zona di svuotamento che
diventa di spessore nullo;
c’è passaggio di
corrente
La corrente nella giunzione p-n
Lo studio della distribuzione di carica e della
corrente nei semiconduttori deve tener
conto di tre fenomeni:
• La generazione e la ricombinazione di
coppie elettrone-buca
• Il moto di deriva delle cariche in presenza
di un campo elettrico
• La diffusione determinata da una
disuniforme densità di carica