La fisica del diodo e del transistor BJT

1. La fisica del diodo e del transistor BJT

2. I conduttori • 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

3. 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

4. La resistività • Resistività (cm)Materiale • <10 -3 Metalli • 10 -3 <  <10 5 Semiconduttori •  >10 5 Isolanti

5. 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

6. 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

7. 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 }banda di conduzione }banda interdetta }banda di valenza 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.

8. 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

9. 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

10. 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

11. - - - - - - - - + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Struttura di un semiconduttore puro Nei semiconduttori gli atomi sono legati da legami covalenti secondo una struttura cristallina come in figura

12. - - - - - - - - - + - + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + - 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

13. - - - - - - + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - 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. - + - - - + - -

14. V P N Zona di svuotamento La giunzione PN • Se si unisce un semiconduttore drogato N con uno drogato P, si ottiene la giunzione PN - - - + + + 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

15. 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

16. V P P N N Zona di svuotamento Barriera di potenziale e polarizzazione - + + - - - - - - - + + + + + + V Zona di svuotamento Polarizzazione negativa Polarizzazione positiva

17. Polarizzazione positiva 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 Polarizzazione negativa 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 Polarizzazione in dettaglio

18. 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