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ESPERIMENTAZIONI DI FISICA 3

A.A. 2013 – 2014. ESPERIMENTAZIONI DI FISICA 3. Programma del corso Dispositivi a semiconduttore . Transistor. Amplificatori . Elettronica digitale . Rumore elettrico . Testi di riferimento: - Millman Grabel Microelectronics Mc Graw -Hill (fuori stampa) - Appunti in rete.

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ESPERIMENTAZIONI DI FISICA 3

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  1. A.A. 2013 – 2014 ESPERIMENTAZIONI DI FISICA 3 Programma del corso Dispositivi a semiconduttore. Transistor. Amplificatori. Elettronica digitale. Rumore elettrico. Testi di riferimento: -MillmanGrabelMicroelectronics Mc Graw-Hill (fuori stampa) - Appunti in rete. Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  2. Dispositivi a semiconduttori Semiconduttori Conduzione nei metalli Conduzione nei semiconduttori Drogaggio dei semiconduttori Giunzione pn Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  3. STRUTTURE DEI SOLIDI • Gli atomi sono legati medianti gli elettroni più esterni (elettroni di valenza) • Classificazione generale dei solidi POLICRISTALLINO CRISTALLINO AMORFO Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14 POLICRISTALLINO

  4. SOLIDI CRISTALLINI • I solidi di cui ci occupiamo hanno una struttura cristallina: gli atomi sono disposti in modo regolare (reticolo) • Gli atomi sono legati medianti gli elettroni più esterni (elettroni di valenza) Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  5. STRUTTURA ATOMICA • Elettroni di valenza • Gruppi di più elettroni circondano il nucleo negli «orbitali» (modello atomico di Bohr). • Gli elettroni più esterni determinano le proprietà chimiche e di conduzione dell’atomo 3p2 3s2 2s2 2p6 1s2 Z=14 A=28.1 Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  6. FORMAZIONE DELLE BANDE Forma del potenziale (app.) LIVELLI ENERGETICI POSSIBILI NUCLEO Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  7. FORMAZIONE DELLE BANDE Energia • I solidi di cui ci occupiamo hanno una struttura (micro)cristallina: gli atomi sono disposti in modo regolare (reticolo) BANDA DI CONDUZIONE 3p2 GAP 3s2 BANDA DI VALENZA Passo reticolare Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  8. CLASSIFICAZIONE DEI SOLIDI Banda di conduzione Eg Energia Banda proibita “GAP’’ Banda di valenza Semiconduttori alla temperatura ambiente Isolante Metallo Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  9. IL MODELLO DI DRUDE della CONDUZIONE ELETTRICA Assunzioni: Gli elettroni in un conduttore • Non interagiscono tra loro (gas perfetto) • L’interazione tra gli elettroni e gli atomi del reticolo è istantanea • Dopo l’urto direzione è casuale e la velocità (modulo) dipende dalla temperatura Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  10. LA CORRENTE ELETTRICA NEL MODELLO DI DRUDE Moto degli elettroni di conduzione u : velocità di deriva E=0 Mobilità uDt E≠0 S Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  11. LA CONDUZIONE ELETTRICAnei METALLI • Nei metalli i portatori di carica “liberi” sono solo gli elettroni, per cui la densità di corrente si scrive: n: densità di portatori (elettroni) disponibili per la conduzione ~ 1021 cm-3 ud: velocità di deriva dei portatori (elettroni) σ: conduttività del materiale ~ 105 (Ω cm)-1 µ: mobilità dell’elettrone ~ 500 cm2(Vs)-1 Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  12. LA CONDUZIONE ELETTRICAnei METALLI e nei SEMICONDUTTORI Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  13. SEMICONDUTTORI(intrinseci) Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  14. +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 SILICIO intrinseco Struttura cristallina con cella elementare cubica a facce centrate Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  15. Conduzione mediante le «LACUNE» La mancanza di un elettrone è simulata da una carica positiva detta “lacuna” o “buca” Energia Campo elettrico Livello energetico della Banda di conduzione L’elettrone si muove con la sua mobilità mn Eg Eg Elettrone Atomo Altri elettroni possono occupare la buca libera + + + + + + + La “lacuna” si muove con la sua mobilità, mp, in senso opposto agli elettroni Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  16. Portatori di carica nei semiconduttori • Nei semiconduttori sia gli elettroni sia le lacune contribuiscono, indipendentemente, alla conduzione. • I meccanismi cui sono soggetti elettroni e lacune nel reticolo sono differenti e di conseguenza le mobilità dei due tipi di portatori sono differenti. Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  17. La densità di corrente elettrica nei semiconduttori Carica dell’elettrone Campo elettrico Mobilità delle lacune Concentazione di elettroni Concentazione di lacune Mobilità degli elettroni Nei semiconduttori i portatori di carica sono sia gli elettroni sia le lacune Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  18. La corrente di diffusione Nei semiconduttori ci può essere un accumulo di portatori (elettroni o lacune): la densità dei portatori dipende dalla coordinata. Ad esempio per le lacune p=p(x) p(x) Il numero dei portatori che attraversano una sezione ideale del semiconduttore, nel senso che va dalla concentrazione più alta a quella più bassa è maggiore di quelli che vanno in senso inverso. Questo fenomeno definisce la corrente di diffusione, la cui espressione è (per le lacune): (dettagli) x D: coefficiente di diffusione . Si misura in (m2/s) Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  19. Corrente di diffusione T ≠0 p(x) u: velocità media dei portatori Dt : tempo di collisione l: cammino libero medio -l 0 l x corrente di diffusione lacune Materiale aggiuntivo corrente di diffusione elettroni Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  20. La corrente di diffusione (cont.) Per gli elettroni l’espressione della corrente di diffusione ha il segno opposto perché gli elettroni hanno carica negativa: In generale le correnti di lacune ed elettroni in un semiconduttore saranno la somma della corrente di deriva e di quella di diffusione: Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  21. Semiconduttori intrinseci • I semiconduttori puri (intrinseci) sono pessimi conduttori a temperatura ambiente. • Esempio. Resistenza a 300 K di: • (Tabella resistività) Si 100 µm 1 mm 2 mm • Resistenza per il rame Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  22. Semiconduttori estrinseci o drogati • Inserendo delle impurità nel semiconduttore (atomi diversi da quelli che lo formano) la sua conducibilità elettrica può cambiare sensibilmente. • Un semiconduttore nel quale sono inserite delle impurità viene detto estrinseco o drogato. • La frazione di atomi sostituiti tipicamente è compresa nell’intervallo10-3 – 10-9 • Il drogaggio può essere fatto in due modi: • Con atomi pentavalenti (donori) • Con atomi trivalenti ( accettori) Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  23. +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 Semiconduttori drogati di Tipo n • Drogati con atomi pentavalenti(Antimonio, Fosforo e Arsenico)diventano semiconduttori di tipo n Silicio elettrone libero +5 Impurezza pentavalente Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  24. +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 Semiconduttori drogati di Tipo p • Drogati con atomi trivalenti(Boro, Gallio e Indio)diventano semiconduttori di tipo p Silicio lacuna +3 Impurezza trivalente Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  25. Semiconduttori drogati • Le impurezze aggiunte al semiconduttore sono tutte ionizzate (E=0.05eV) quindi contribuiscono alla conduzione • La concentrazione delle impurezze è dell’ordine di 1 atomo (donore o accettore) per 108 atomi di semiconduttore. • Quindi la concentrazione di portatori dovuti alle impurezze è: 5x1014 cm-3 • questo numero va confrontato con la concentrazione intrinseca 1.5x1010 cm-3: 104 volte più piccola! (La conduttività è 0.1 (Ω cm)-1) Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  26. Legge di azione di massa In un semiconduttore, intrinseco o drogato, avvengono i seguenti fenomeni: • sono create in continuazione coppie elettrone – lacuna con una velocità C che dipende dalla temperatura:=C(T) • ogni volta che un elettrone e una lacuna si incontrano avviene un fenomeno di annichilazione o ricombinazione ed entrambi i portatori scompaiono (in realtà l’elettrone non scompare ma assume una posizione fissa nel cristallo e non è più disponibile per la conduzione). Indichiamo con R il numero di queste ricombinazioni nell’unità di tempo; R dipenderà sia dalla temperatura sia dal prodotto delle concentrazioni di elettroni (n) e lacune (p) : R= n p f(T) • All’equilibrio la creazione di coppie e la loro ricombinazione dovranno essere uguali: R= C, per cui il prodotto np dipende solo dalla temperatura e non dal drogaggio. Potremo quindi uguagliare npa ni2 dove niè la concentrazione del semiconduttore intrinseco. • La legge di azione di massa di esprime quindi come: Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  27. - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + La giunzione pn tipo p tipo n - diffusione delle buche nella zona tipo-n e ricombinazione + - + - diffusione degli elettroni nella zona tipo-p e ricombinazione + - + lacune Impurezze trivalenti elettroni Impurezze pentavalenti Zona di svuotamento (depletion region) Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  28. La giunzione pn tipo p tipo n Si ottiene giustapponendo due semiconduttori uno di tipo p e l’altro di tipo n Barriera di potenziale Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  29. - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + La giunzione pn concentrazione lacune ed elettroni - + - tipo p + tipo n - + - + NA ND n Portatori Maggioritari minoritari ni2 /ND ni2 /NA p x xn xp Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  30. Potenziale di giunzione La corrente media è nulla Dalla prima equazione Relazione di Einstein. Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  31. Potenziale di giunzione Dalla seconda equazione La ddp è (ovviamente) uguale! Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  32. applet giunzione pn • http://oes.mans.edu.eg/courses/SemiCond/applets/education/pn/pnformation/pnformation.html Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  33. La giunzione pn polarizzata Giunzione polarizzata direttamante • La caduta di potenziale solo sulla giunzione • La barriera di potenziale diminuisce di qVD • I portatori maggioritari possono attraversare la giunzione • Quindi la giunzione polarizzata direttamente “conduce” tipo p tipo n _ + ID VD V(x) VD x Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  34. La giunzione pn polarizzata inversamente tipo p tipo n • La caduta di potenziale solo sulla giunzione • La barriera di potenziale cresce di qVD • I portatori maggioritari trovano una barriera più alta • I portatori minoritari possono attraversare la barriera generando la corrente IS: corrente di saturazione inversa • La zona di svuotamento aumenta di dimensione. _ + IS VD V(x) VD x Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  35. Correnti nel diodo polarizzato Polarizzazione diretta Lè detta «lunghezza di diffusione» Polarizzazione inversa Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  36. Applet pn junction polarizzata http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/biasedPN/index.html Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  37. Il diodo a giunzione • Il diodo a semiconduttore è un componente elettrico non lineare formato da una giunzione pn • La caratterisitica tensione-corrente del diodo si misura con il seguente circuito Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  38. Curva Caratteristica del Diodo Zener Voltage Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  39. Caratteristica reale di un diodo per diversi ordini di grandezza della densità di corrente Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  40. Il diodo come componente circuitale I Caratteristica reale «Caratteristiche approssimate» Si usano secondo l’accuratezza necessaria V Vg I Vg Rf 1/Rf - + V Vg I I V Vg Diodo ideale V Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  41. Circuito raddrizzatore 1con caratteristica diodo ideale R vs i Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  42. Circuito raddrizzatore 2con caratteristica semplificata (b) Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  43. Circuito raddrizzatore 3con condensatore sul carico “Ripple” Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  44. Applicazioni del diodo:Circuito limitatore • Limita il valore della tensione alla sua uscita a valori minori di un valore assegnato (VR) Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  45. Applicazioni del diodo:«Pompa a Diodi» (Rate meter) • La tensione d’uscita ha un valore medio proporzionale alla velocità di ripetizione degli impulsi C >>Co t >>Ro Co T<<RC V(t) t T t Vout (transiente) All’equilibrio : corrente di scarica di C su R=(corrente di carica su Ro) Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

  46. Applicazioni del diodo:«Circuiti Logici» Con i diodi si possono costruire circuiti logici di OR e di AND. Non sono possibili operazioni di NOT e in ogni stadio OR (vedi il circuito) il segnale si attenua (solo pochi stadi in «cascata») =A .AND. B =A .OR. B

  47. Tabelle della verità OR e AND • H segnale alto «1» logico (+3.5V – +5.0V) • L segnale basso «0» logico (0V – +1.5V)

  48. Diodo in regime impulsato Quando un diodo passa bruscamente da conduzione a interdizione i portatori minoritari permettono la conduzione anche in senso inverso fino allo svuotamento della regione che occupano come cariche minoritarie. Esp- 3 - Semiconduttori AA13-14

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