Dispositivi a semiconduttore - Guida rapida

È ampiamente noto che la distanza di un nucleo dall'elettrone di un particolare atomo non è uguale. Normalmente, gli elettroni ruotano in un'orbita ben definita. Un numero particolare di elettroni può trattenere solo il guscio esterno o l'orbita. La conduttività elettrica di un atomo è influenzata principalmente dagli elettroni del guscio esterno. Questi elettroni hanno molto a che fare con la conduttività elettrica.

Conduttori e isolanti

La conduzione elettrica è il risultato di un movimento irregolare o incontrollato di elettroni. Questi movimenti fanno sì che alcuni atomi siano buonielectrical conductors. Un materiale con questo tipo di atomi ha molti elettroni liberi nel suo guscio esterno o orbita.

Comparativamente, un file insulating materialha un numero relativamente piccolo di elettroni liberi. Di conseguenza, gli elettroni del guscio esterno degli isolanti tendono a mantenere la loro posizione saldamente e difficilmente consentono a qualsiasi corrente di fluire attraverso di essi. Pertanto, in un materiale isolante, si verifica pochissima conduttività elettrica.

Semiconduttori

Tra conduttori e isolanti, esiste una terza classificazione di atomi (materiale) nota come semiconduttori. In generale, la conduttività di un semiconduttore si trova tra le conduttività dei metalli e degli isolanti. Tuttavia, a temperatura zero assoluto, il semiconduttore agisce anche come un perfetto isolante.

Silicon e germaniumsono gli elementi semiconduttori più familiari. L'ossido di rame, il solfuro di cadmio e l'arseniuro di gallio sono alcuni altri composti semiconduttori usati di frequente. Questi tipi di materiale sono generalmente classificati come elementi di tipo IVB. Tali atomi hanno quattro elettroni di valenza. Se possono rinunciare a quattro elettroni di valenza, la stabilità può essere ottenuta. Può anche essere ottenuto accettando quattro elettroni.

Stabilità di un atomo

Il concetto di stabilità di un atomo è un fattore importante nello stato dei materiali semiconduttori. Il numero massimo di elettroni nella banda di valenza è 8. Quando ci sono esattamente 8 elettroni nella banda di valenza, si può dire che l'atomo è stabile. In unstable atom, il legame degli elettroni di valenza è molto rigido. Questi tipi di atomi sono ottimi isolanti. In tali atomi, gli elettroni liberi non sono disponibili per la conduttività elettrica.

Esempi di elementi stabilizzati sono gas come Argon, Xenon, Neon e Krypton. A causa della loro proprietà, questi gas non possono essere miscelati con altri materiali e sono generalmente noti comeinert gases.

Se il numero di elettroni di valenza nel guscio esterno è inferiore a 8, allora si dice che l'atomo è instabile, cioè gli atomi che hanno meno di 8 elettroni di valenza sono instabili. Cercano sempre di prendere in prestito o donare elettroni dagli atomi vicini per diventare stabili. Gli atomi nel guscio esterno con 5, 6 o 7 elettroni di valenza tendono a prendere in prestito elettroni da altri atomi per cercare stabilità, mentre gli atomi con uno, due o tre elettroni di valenza tendono a rilasciare questi elettroni ad altri atomi vicini.

Tutto ciò che ha un peso è importante. Secondo la teoria dell'atomo, tutta la materia, che sia solida, liquida o gassosa, è composta da atomi. Un atomo contiene una parte centrale chiamata nucleo, che contiene i neutroni e i protoni. Normalmente, i protoni sono particelle caricate positivamente ei neutroni sono particelle cariche neutre. Gli elettroni che sono particelle caricate negativamente sono disposti in orbite attorno al nucleo in un modo simile alla schiera di pianeti attorno al Sole. La figura seguente mostra la composizione di un atomo.

Si è scoperto che gli atomi di elementi diversi hanno un numero diverso di protoni, neutroni ed elettroni. Per distinguere un atomo da un altro o per classificare i vari atomi, agli atomi di ogni elemento identificato viene assegnato un numero che indica il numero di protoni nel nucleo di un dato atomo. Questo numero è noto comeatomic numberdell'elemento. I numeri atomici per alcuni degli elementi associati allo studio dei semiconduttori sono riportati nella tabella seguente.

Elemento	Simbolo	Numero atomico
Silicio	Si	14
Germanio	Ge	32
Arsenico	Come	33
Antimonio	Sb	51
Indio	In	49
Gallio	Ga	31
Boro	B	5

Normalmente, un atomo ha un numero uguale di protoni ed elettroni planetari per mantenere la sua carica netta a zero. Gli atomi si combinano spesso per formare molecole o composti stabilizzati attraverso i loro elettroni di valenza disponibili.

Il processo di combinazione di elettroni di valenza liberi è generalmente chiamato bonding. Di seguito sono riportati i diversi tipi di legame che avviene nelle combinazioni di atomi.

Legame ionico
Legame covalente
Incollaggio metallico

Discutiamo ora in dettaglio di questi legami atomici.

Legame ionico

Ogni atomo cerca stabilità quando gli atomi si legano insieme per formare molecole. Quando la banda di valenza contiene 8 elettroni, si dice che sia astabilized condition. Quando gli elettroni di valenza di un atomo si combinano con quelli di un altro atomo per diventare stabili, viene chiamatoionic bonding.

Se un atomo ha più di 4 elettroni di valenza nel guscio esterno, sta cercando elettroni aggiuntivi. Tale atomo è spesso chiamato unacceptor.
Se un atomo contiene meno di 4 elettroni di valenza nel guscio esterno, cerca di uscire da questi elettroni. Questi atomi sono noti comedonors.

Nel legame ionico, gli atomi donatori e accettori si combinano spesso insieme e la combinazione si stabilizza. Il sale comune è un esempio comune di legame ionico.

Le figure seguenti illustrano un esempio di atomi indipendenti e legame ionico.

Si può vedere nella figura sopra che l'atomo di sodio (Na) dona il suo 1 elettrone di valenza all'atomo di cloruro (Cl) che ha 7 elettroni di valenza. L'atomo di cloruro diventa immediatamente sbilanciato negativamente quando ottiene l'elettrone in più e questo fa sì che l'atomo diventi uno ione negativo. Mentre d'altra parte, l'atomo di sodio perde il suo elettrone di valenza e l'atomo di sodio diventa quindi uno ione positivo. Come sappiamo, a differenza delle cariche si attraggono, gli atomi di sodio e di cloruro sono legati insieme da una forza elettrostatica.

Legame covalente

Quando gli elettroni di valenza degli atomi vicini sono condivisi con altri atomi, ha luogo il legame covalente. Nel legame covalente, gli ioni non si formano. Questa è una differenza unica nel legame covalente e nel legame ionico.

Quando un atomo contiene quattro elettroni di valenza nel guscio esterno, può condividere un elettrone con quattro atomi vicini. Una forza covalente viene stabilita tra i due elettroni di collegamento. Questi elettroni spostano alternativamente le orbite tra gli atomi. Questa forza covalente lega insieme i singoli atomi. Un'illustrazione del legame covalente è mostrata nelle figure seguenti.

In questa disposizione, vengono mostrati solo il nucleo e gli elettroni di valenza di ciascun atomo. Le coppie di elettroni vengono create perché i singoli atomi sono legati insieme. In questo caso, sono necessari cinque atomi per completare l'azione di legame. Il processo di incollaggio si allarga in tutte le direzioni. Ogni atomo è ora collegato insieme in una rete reticolare e una struttura cristallina è formata da questa rete reticolare.

Incollaggio metallico

Il terzo tipo di legame si verifica generalmente in buoni conduttori elettrici ed è chiamato legame metallico. Nel legame metallico, esiste una forza elettrostatica tra gli ioni positivi e gli elettroni. Ad esempio, la banda di valenza del rame ha un elettrone nel suo guscio esterno. Questo elettrone ha la tendenza a vagare nel materiale tra diversi atomi.

Quando questo elettrone lascia un atomo, entra immediatamente nell'orbita di un altro atomo. Il processo è ripetitivo su base continua. Un atomo diventa uno ione positivo quando un elettrone lo lascia. Questo è unrandom process. Significa che un elettrone è sempre collegato a un atomo. Non significa che l'elettrone sia associato a un'orbita particolare. Vaga sempre in orbite diverse. Di conseguenza, è probabile che tutti gli atomi condividano tutti gli elettroni di valenza.

Gli elettroni si aggirano in una nuvola che copre gli ioni positivi. Questa nube sospesa lega gli elettroni in modo casuale agli ioni. La figura seguente mostra un esempio del legame metallico del rame.

Il numero di elettroni nell'anello esterno di un atomo è ancora la ragione della differenza tra conduttori e isolanti. Come sappiamo, i materiali solidi vengono utilizzati principalmente nei dispositivi elettrici per realizzare la conduzione elettronica. Questi materiali possono essere separati in conduttori, semiconduttori e isolanti.

Tuttavia, conduttori, semiconduttori e isolanti sono differenziati da diagrammi del livello di energia. La quantità di energia necessaria per far sì che un elettrone lasci la sua banda di valenza e vada in conduzione sarà considerata qui. Il diagramma è un composto di tutti gli atomi all'interno del materiale. I diagrammi del livello di energia di isolanti, semiconduttori e conduttori sono mostrati nella figura seguente.

Banda di valenza

La parte inferiore è il file valence band. Rappresenta i livelli di energia più vicini al nucleo dell'atomo ei livelli di energia nella banda di valance contengono il numero corretto di elettroni necessari per bilanciare la carica positiva del nucleo. Quindi, questa band si chiamafilled band.

Nella banda di valenza, gli elettroni sono strettamente legati al nucleo. Spostandosi verso l'alto nel livello di energia, gli elettroni sono più leggermente legati in ogni livello successivo verso il nucleo. Non è facile disturbare gli elettroni nei livelli di energia più vicini al nucleo, poiché il loro movimento richiede energie più grandi e ogni orbita di elettroni ha un livello di energia distinto.

Banda di conduzione

La banda superiore o più esterna nel diagramma è chiamata conduction band. Se un elettrone ha un livello di energia, che si trova all'interno di questa banda, ed è relativamente libero di muoversi nel cristallo, allora conduce corrente elettrica.

Nell'elettronica dei semiconduttori, ci occupiamo principalmente delle bande di valenza e di conduzione. Di seguito sono riportate alcune informazioni di base su di esso:

La banda di valenza di ogni atomo mostra i livelli di energia degli elettroni di valenza nel guscio esterno.
Una quantità definita di energia deve essere aggiunta agli elettroni di valenza per farli entrare nella banda di conduzione.

Forbidden Gap

Le bande di valenza e di conduzione sono separate da uno spazio, ovunque esista, chiamato intervallo proibito. Per attraversare il divario proibito è necessaria una quantità definita di energia. Se è insufficiente, gli elettroni non vengono rilasciati per la conduzione. Gli elettroni rimarranno nella banda di valenza fino a quando non riceveranno ulteriore energia per attraversare il divario proibito.

Lo stato di conduzione di un particolare materiale può essere indicato dall'ampiezza dello spazio proibito. Nella teoria atomica, l'ampiezza del gap è espressa in elettronvolt (eV). Un elettronvolt è definito come la quantità di energia guadagnata o persa quando un elettrone è soggetto a una differenza di potenziale di 1 V. Gli atomi di ciascun elemento hanno un valore di livello di energia diverso che consente la conduzione.

Nota che il forbidden regiondi un isolante è relativamente ampio. Per far entrare in conduzione un isolante sarà necessaria una grande quantità di energia. Ad esempio, Thyrite.

Se gli isolanti vengono azionati ad alte temperature, la maggiore energia termica fa sì che gli elettroni della banda di valenza si spostino nella banda di conduzione.

Come risulta chiaro dal diagramma delle bande di energia, la distanza proibita di un semiconduttore è molto più piccola di quella di un isolante. Ad esempio, il silicio deve guadagnare 0,7 eV di energia per entrare nella banda di conduzione. A temperatura ambiente, l'aggiunta di energia termica può essere sufficiente per provocare la conduzione in un semiconduttore. Questa particolare caratteristica è di grande importanza nei dispositivi elettronici a stato solido.

Nel caso di un conduttore, la banda di conduzione e la banda di valenza si sovrappongono parzialmente l'una all'altra. In un certo senso, non c'è spazio proibito. Pertanto, gli elettroni della banda di valenza sono in grado di rilasciare per diventare elettroni liberi. Normalmente a temperatura ambiente normale avviene poca conduzione elettrica all'interno del conduttore.

Come discusso in precedenza, possono esserci uno o più elettroni liberi per atomo che si muovono attraverso l'interno del metallo sotto l'influenza di un campo applicato.

La figura seguente mostra la distribuzione della carica all'interno di un metallo. È noto comeelectron-gas description of a metal.

Il hashed regionrappresenta il nucleo con una carica positiva. I punti blu rappresentano gli elettroni di valenza nel guscio esterno di un atomo. Fondamentalmente, questi elettroni non appartengono a nessun atomo specifico e, di conseguenza, hanno perso la loro identità individuale e vagano liberamente da un atomo all'altro.

Quando gli elettroni sono in un movimento ininterrotto, la direzione del trasporto cambia ad ogni collisione con gli ioni pesanti. Questo si basa sulla teoria elettrone-gas di un metallo. La distanza media tra le collisioni è chiamatamean free path. Gli elettroni, passando per un'area unitaria, nel metallo nella direzione opposta in un dato tempo, in modo casuale, portano a zero la corrente media.

Quando la tensione viene applicata ai dispositivi semiconduttori, la corrente di elettroni scorre verso il lato positivo della sorgente e la corrente dei buchi scorre verso il lato negativo della sorgente. Una tale situazione si verifica solo in un materiale semiconduttore.

Il silicio e il germanio sono i materiali semiconduttori più comuni. In generale, la conduttività di un semiconduttore si trova tra le conduttività dei metalli e degli isolanti.

Germanio come semiconduttore

Di seguito sono riportati alcuni punti importanti su Germanium -

Ci sono quattro elettroni nell'orbita più esterna del germanio. Nei legami, gli atomi vengono mostrati solo con i loro elettroni esterni.
Gli atomi di germanio condivideranno gli elettroni di valenza in un legame covalente. Ciò è mostrato nella figura seguente. Il germanio è quello associato al legame covalente. La forma cristallina del germanio è chiamata reticoli cristallini. Questo tipo di struttura ha gli atomi disposti nel modo mostrato nella figura seguente.
In una tale disposizione, gli elettroni sono in uno stato molto stabile e quindi sono meno appropriati per essere associati ai conduttori. Nella forma pura, il germanio è un materiale isolante ed è chiamato come unintrinsic semiconductor.

La figura seguente mostra le strutture atomiche di silicio e germanio.

Silicio come semiconduttore

I dispositivi a semiconduttore utilizzano il silicio anche nella produzione di vari componenti elettronici. La struttura atomica del silicio e del germanio è mostrata nella figura sopra. La struttura reticolare cristallina del silicio è simile a quella del germanio.

Di seguito sono riportati alcuni dei punti importanti sul silicio:

Ha quattro elettroni nel suo guscio più esterno come il germanio.
In forma pura, non è utile come dispositivo a semiconduttore.
Una quantità desiderata di conduttività può essere ottenuta sommando le impurità.
L'aggiunta di impurità deve essere eseguita con attenzione e in un ambiente controllato.
A seconda del tipo di impurità aggiunta, creerà un eccesso o un deficit di elettroni.

La figura seguente mostra il cristallo intrinseco del silicio.

Il silicio puro o il germanio sono usati raramente come semiconduttori. I semiconduttori praticamente utilizzabili devono avere una quantità controllata di impurità aggiunta a loro. L'aggiunta di impurità cambierà la capacità del conduttore e agisce come un semiconduttore. Viene chiamato il processo di aggiunta di un'impurità a un materiale intrinseco o purodoping e l'impurità è chiamata a dopant. Dopo il drogaggio, un materiale intrinseco diventa un materiale estrinseco. Praticamente solo dopo il doping questi materiali diventano utilizzabili.

Quando un'impurità viene aggiunta al silicio o al germanio senza modificare la struttura cristallina, viene prodotto un materiale di tipo N. In alcuni atomi, gli elettroni hanno cinque elettroni nella loro banda di valenza come l'arsenico (As) e l'antimonio (Sb). Il drogaggio del silicio con entrambe le impurità non deve modificare la struttura cristallina o il processo di legame. L'elettrone extra dell'atomo di impurità non prende parte a un legame covalente. Questi elettroni sono tenuti insieme liberamente dai loro atomi di origine. La figura seguente mostra l'alterazione del cristallo di silicio con l'aggiunta di un atomo di impurità.

Effetto del doping sul materiale di tipo N.

L'effetto del drogaggio su un materiale di tipo N è il seguente:

Dopo l'aggiunta di arsenico al silicio puro, il cristallo diventa un materiale di tipo N.
L'atomo di arsenico ha elettroni aggiuntivi o cariche negative che non prendono parte al processo di legame covalente.
Queste impurità cedono o donano, un elettrone al cristallo e sono indicate come impurità donatrici.
Un materiale di tipo N ha elettroni extra o liberi rispetto a un materiale intrinseco.
Un materiale di tipo N non è caricato negativamente. In realtà tutti i suoi atomi sono tutti elettricamente neutri.
Questi elettroni extra non prendono parte al processo di legame covalente. Sono liberi di muoversi attraverso la struttura cristallina.
Un cristallo di silicio estrinseco di tipo N entrerà in conduzione con solo 0,005eV di energia applicata.
È necessario solo 0,7eV per spostare gli elettroni del cristallo intrinseco dalla banda di valenza alla banda di conduzione.

Normalmente, gli elettroni sono considerati i portatori di corrente di maggioranza in questo tipo di cristallo e le lacune sono i portatori di corrente di minoranza. La quantità di materiale donatore aggiunto a Silicon rileva il numero di portatori attuali di maggioranza nella sua struttura.

Il numero di elettroni in un silicio di tipo N è molte volte maggiore delle coppie elettrone-lacuna del silicio intrinseco. A temperatura ambiente, c'è una netta differenza nella conduttività elettrica di questo materiale. Ci sono abbondanti portatori di corrente per prendere parte al flusso di corrente. Il flusso di corrente è ottenuto principalmente dagli elettroni in questo tipo di materiale. Pertanto, un materiale estrinseco diventa un buon conduttore elettrico.

Effetto del doping sul materiale di tipo P.

L'effetto del drogaggio su un materiale di tipo P è il seguente:

Quando si aggiunge indio (In) o gallio (Ga) al silicio puro, si forma un materiale di tipo P.
Questo tipo di materiale drogante ha tre elettroni di valenza. Stanno cercando con impazienza un quarto elettrone.
Nel materiale di tipo P, ogni foro può essere riempito con un elettrone. Per riempire quest'area del buco, è richiesta molta meno energia dagli elettroni dei vicini gruppi legati covalenti.
Il silicio è tipicamente drogato con materiale drogante nell'intervallo da 1 a 106. Ciò significa che il materiale P avrà molti più buchi rispetto alle coppie elettrone-lacuna di silicio puro.
A temperatura ambiente, c'è una differenza caratteristica molto determinata nella conduttività elettrica di questo materiale.

La figura seguente mostra come la struttura cristallina del silicio viene alterata quando drogata con un elemento accettore, in questo caso, l'indio. Un pezzo di materiale P non è caricato positivamente. I suoi atomi sono principalmente tutti elettricamente neutri.

Ci sono, tuttavia, buchi nella struttura covalente di molti gruppi di atomi. Quando un elettrone si muove e riempie un buco, il buco diventa vuoto. Viene creato un nuovo buco nel gruppo legato dove l'elettrone è uscito. Il movimento dei buchi in effetti è il risultato del movimento degli elettroni. Un materiale di tipo P entrerà in conduzione con solo 0,05 eV di energia applicata.

La figura sopra mostra come risponderà un cristallo di tipo P quando è collegato a una sorgente di tensione. Nota che ci sono un numero maggiore di buchi rispetto agli elettroni. Con la tensione applicata, gli elettroni sono attratti dal terminale positivo della batteria.

I fori si spostano, in un certo senso, verso il terminale negativo della batteria. A questo punto viene rilevato un elettrone. L'elettrone riempie immediatamente un buco. Il buco diventa quindi vuoto. Allo stesso tempo, un elettrone viene estratto dal materiale dal terminale positivo della batteria. I fori quindi si spostano verso il terminale negativo a causa dello spostamento degli elettroni tra diversi gruppi legati. Con l'energia applicata, il flusso del foro è continuo.

Una struttura cristallina fatta di materiali P e N è generalmente nota come junction diode. È generalmente considerato come un dispositivo a due terminali. Come mostrato nel diagramma seguente, un terminale è collegato al materiale di tipo P e l'altro al materiale di tipo N.

Il punto di legame comune in cui questi materiali sono collegati è chiamato a junction. Un diodo a giunzione consente ai portatori di corrente di fluire in una direzione e ostruire il flusso di corrente nella direzione inversa.

La figura seguente mostra la struttura cristallina di un diodo a giunzione. Dai un'occhiata alla posizione dei materiali di tipo P e tipo N rispetto alla giunzione. La struttura del cristallo è continua da un'estremità all'altra. La giunzione funge solo da punto di separazione che rappresenta la fine di un materiale e l'inizio dell'altro. Tale struttura consente agli elettroni di muoversi completamente nell'intera struttura.

Il diagramma seguente mostra due porzioni di sostanza semiconduttrice prima che siano sagomate in una giunzione PN. Come specificato, ogni parte di materiale hamajority e minority current carriers.

La quantità di simboli portanti mostrati in ogni materiale indica la funzione di minoranza o maggioranza. Come sappiamo gli elettroni sono i portatori di maggioranza nel materiale di tipo N e le lacune sono i portatori di minoranza. Nel materiale di tipo P, i buchi sono i vettori maggioritari e gli elettroni sono in minoranza.

Inizialmente, quando si forma un diodo a giunzione, c'è un'interazione unica tra i portatori di corrente. Nel materiale di tipo N, gli elettroni si muovono facilmente attraverso la giunzione per riempire i buchi nel materiale P. Questo atto è comunemente chiamatodiffusion. La diffusione è il risultato di un elevato accumulo di supporti in un materiale e di una minore raccolta nell'altro.

Generalmente, gli attuali vettori che si trovano in prossimità della giunzione partecipano solo al processo di diffusione. Gli elettroni che escono dal materiale N provocano la generazione di ioni positivi al loro posto. Entrando nel materiale P per riempire i buchi, questi elettroni creano ioni negativi. Di conseguenza, ogni lato della giunzione contiene un gran numero di ioni positivi e negativi.

L'area in cui questi buchi ed elettroni si esauriscono è generalmente nota con il termine regione di svuotamento. È un'area in cui manca la maggioranza dei vettori attuali. Normalmente, una regione di esaurimento si sviluppa quando si forma la giunzione PN. La figura seguente mostra la regione di esaurimento di un diodo a giunzione.

I materiali di tipo N e P sono considerati elettricamente neutri prima di essere uniti insieme in una giunzione comune. Tuttavia, dopo l'unione, la diffusione avviene istantaneamente, poiché gli elettroni attraversano la giunzione per riempire i buchi facendo emergere ioni negativi nel materiale P, questa azione fa sì che l'area vicina della giunzione assuma una carica negativa. Gli elettroni che escono dal materiale N lo inducono a generare ioni positivi.

Tutto questo processo, a sua volta, fa sì che il lato N della giunzione assuma una carica netta positiva. Questa particolare creazione di carica tende a forzare gli elettroni e le lacune rimanenti lontano dalla giunzione. Questa azione rende alquanto difficile per gli altri portatori di carica diffondersi attraverso la giunzione. Di conseguenza, la carica si accumula o il potenziale di barriera emerge attraverso la giunzione.

Come mostrato nella figura seguente. Il potenziale barriera risultante ha una piccola batteria collegata attraverso la giunzione PN. Nella figura data osservare la polarità di questa potenziale barriera rispetto al materiale P e N. Questa tensione o potenziale esisterà quando il cristallo non è collegato a una fonte di energia esterna.

Il potenziale barriera del germanio è di circa 0,3 V e del silicio è di 0,7 V. Questi valori non possono essere misurati direttamente e appaiono attraverso la regione di carica spaziale della giunzione. Per produrre la conduzione di corrente, il potenziale barriera di una giunzione PN deve essere superato da una sorgente di tensione esterna.

Il termine bias si riferisce all'applicazione della tensione CC per impostare determinate condizioni operative. Oppure, quando una fonte di energia esterna viene applicata a una giunzione PN, viene chiamata tensione di polarizzazione o semplicemente polarizzazione. Questo metodo aumenta o diminuisce il potenziale barriera della giunzione. Di conseguenza, la riduzione del potenziale barriera fa sì che i portatori attuali ritornino nella regione di esaurimento. Le seguenti due condizioni di polarizzazione vengono applicate rispetto alle giunzioni PN.

Forward Biasing - Al potenziale barriera viene aggiunta una tensione esterna della stessa polarità, che provoca un aumento dell'ampiezza della regione di svuotamento.
Reverse Biasing - Una giunzione PN è polarizzata in modo tale che l'applicazione dell'azione di tensione esterna impedisce ai portatori di corrente di entrare nella regione di esaurimento.

Polarizzazione in avanti

La figura seguente mostra un diodo a giunzione PN polarizzato in avanti con tensione esterna applicata. Puoi vedere che il terminale positivo della batteria è collegato al materiale P e il terminale negativo della batteria è collegato al materiale N.

Di seguito sono riportate le osservazioni:

Questa tensione di polarizzazione respinge la maggior parte dei portatori di corrente di ogni materiale di tipo P e N. Di conseguenza, un gran numero di buchi ed elettroni iniziano ad apparire alla giunzione.
Sul lato N della giunzione, gli elettroni si muovono per neutralizzare gli ioni positivi nella regione di svuotamento.
Sul materiale del lato P, gli elettroni vengono trascinati dagli ioni negativi, il che li fa tornare neutri. Ciò significa che la polarizzazione in avanti fa collassare la regione di esaurimento e quindi anche il potenziale barriera. Significa che quando la giunzione PN è polarizzata in avanti, consentirà un flusso di corrente continuo.

La figura seguente mostra il flusso dei portatori di corrente di un diodo polarizzato direttamente. È disponibile una fornitura costante di elettroni grazie a una fonte di tensione esterna collegata al diodo. Il flusso e la direzione della corrente sono mostrati da grandi frecce all'esterno del diodo nel diagramma. Nota che il flusso di elettroni e il flusso di corrente si riferiscono alla stessa cosa.

Di seguito sono riportate le osservazioni:

Supponiamo che gli elettroni fluiscano attraverso un filo dal terminale negativo della batteria al materiale N. Entrando in questo materiale, fluiscono immediatamente alla giunzione.
Allo stesso modo, dall'altra parte un numero uguale di elettroni vengono estratti dal lato P e vengono restituiti al terminale positivo della batteria. Questa azione crea nuovi fori e li fa muovere verso la giunzione.
Quando questi buchi ed elettroni raggiungono la giunzione, si uniscono e scompaiono efficacemente. Di conseguenza, nuovi buchi ed elettroni emergono alle estremità esterne del diodo. Questi vettori maggioritari vengono creati su base continua. Questa azione continua finché viene applicata la sorgente di tensione esterna.
Quando il diodo è polarizzato in avanti, si può notare che gli elettroni fluiscono attraverso l'intera struttura del diodo. Questo è comune nel materiale di tipo N, mentre nel materiale P i fori sono i portatori di corrente in movimento. Si noti che il movimento del foro in una direzione deve iniziare dal movimento degli elettroni nella direzione opposta. Pertanto, il flusso di corrente totale è l'aggiunta di buchi e gli elettroni fluiscono attraverso un diodo.

Biasing inverso

La figura seguente mostra un diodo a giunzione PN a polarizzazione inversa con tensione esterna applicata. Puoi vedere che il terminale positivo della batteria è collegato al materiale N e il terminale negativo della batteria è collegato al materiale P. Si noti che in una tale disposizione, la polarità della batteria deve opporsi alla polarità del materiale del diodo in modo che si attraggano cariche dissimili. Pertanto, i portatori di carica maggioritari di ciascun materiale vengono trascinati via dalla giunzione. La polarizzazione inversa fa sì che il diodo non sia conduttivo.

La figura seguente mostra la disposizione dei portatori di corrente maggioritari in un diodo polarizzato inverso.

Di seguito sono riportate le osservazioni:

A causa dell'azione del circuito, gli elettroni del materiale N vengono tirati verso il terminale positivo della batteria.
Ogni elettrone che si muove o si allontana dal diodo fa emergere uno ione positivo al suo posto. Di conseguenza, ciò provoca un aumento equivalente della larghezza della regione di svuotamento sul lato N della giunzione.
Il lato P del diodo ha un effetto simile allo stesso modo del lato N. In questa azione, un certo numero di elettroni lascia il terminale negativo della batteria ed entra nel materiale di tipo P.
Questi elettroni quindi si muovono immediatamente e riempiono una serie di buchi. Ogni buco occupato diventa quindi uno ione negativo. Questi ioni a loro volta vengono respinti dal terminale negativo della batteria e guidati verso la giunzione. A causa di ciò, si verifica un aumento della larghezza della regione di esaurimento sul lato P della giunzione.

La larghezza complessiva della regione di svuotamento dipende direttamente da una sorgente di tensione esterna di un diodo polarizzato inversamente. In questo caso, il diodo non può supportare in modo efficiente il flusso di corrente attraverso l'ampia regione di esaurimento. Di conseguenza, la carica potenziale inizia a svilupparsi attraverso la giunzione e aumenta fino a quando il potenziale di barriera è uguale alla tensione di polarizzazione esterna. Dopo questo, il diodo si comporta come un non conduttore.

Un'importante limitazione di conduzione del diodo a giunzione PN è leakage current. Quando un diodo è polarizzato inversamente, la larghezza della regione di svuotamento aumenta. Generalmente, questa condizione è richiesta per limitare l'accumulo di portante corrente vicino alla giunzione. La maggior parte dei portatori di corrente sono principalmente negati nella regione di esaurimento e quindi la regione di esaurimento funge da isolante. Normalmente, i portatori attuali non passano attraverso un isolante.

Si è visto che in un diodo a polarizzazione inversa, una parte della corrente scorre attraverso la regione di esaurimento. Questa corrente è chiamata corrente di dispersione. La corrente di dispersione dipende dai vettori attuali di minoranza. Come sappiamo, i portatori minoritari sono gli elettroni nel materiale di tipo P e buchi nel materiale di tipo N.

La figura seguente mostra come reagiscono i portatori di corrente quando un diodo è polarizzato inversamente.

Di seguito sono riportate le osservazioni:

I portatori di minoranza di ciascun materiale vengono spinti attraverso la zona di esaurimento fino alla giunzione. Questa azione causa una corrente di dispersione molto piccola. In generale, la corrente di dispersione è così piccola da poter essere considerata trascurabile.
Qui, in caso di corrente di dispersione, la temperatura gioca un ruolo importante. Gli attuali portatori minoritari dipendono principalmente dalla temperatura.
A temperature ambiente di 25 ° C o 78 ° F, c'è una quantità trascurabile di portatori minoritari presenti in un diodo di polarizzazione inversa.
Quando la temperatura circostante aumenta, provoca un aumento significativo nella creazione di portatori minoritari e di conseguenza provoca un corrispondente aumento della corrente di dispersione.

In tutti i diodi a polarizzazione inversa, la presenza di corrente di dispersione è normale in una certa misura. Nei diodi al germanio e al silicio, la corrente di dispersione è solo di pochemicroamperes e nanoamperes, rispettivamente. Il germanio è molto più suscettibile alla temperatura del silicio. Per questo motivo, principalmente il silicio viene utilizzato nei moderni dispositivi a semiconduttore.

Esistono diverse scale di corrente per le operazioni di polarizzazione diretta e di polarizzazione inversa. La porzione anteriore della curva indica che il diodo conduce semplicemente quando la regione P è resa positiva e la regione N negativa.

Il diodo non conduce quasi nessuna corrente nella direzione ad alta resistenza, cioè quando il Pregion è reso negativo e la regione N è resa positiva. Ora i buchi e gli elettroni vengono drenati dalla giunzione, facendo aumentare il potenziale di barriera. Questa condizione è indicata dalla porzione di corrente inversa della curva.

La sezione tratteggiata della curva indica il ideal curve, che risulterebbe se non fosse per il guasto da valanga. La figura seguente mostra la caratteristica statica di un diodo a giunzione.

Caratteristiche DIODE IV

Le caratteristiche della tensione di corrente diretta e inversa (IV) di un diodo vengono generalmente confrontate su una singola curva caratteristica. La figura illustrata nella sezione Caratteristica diretta mostra che la tensione diretta e la tensione inversa sono solitamente tracciate sulla linea orizzontale del grafico.

I valori di corrente diretta e inversa vengono visualizzati sull'asse verticale del grafico. Tensione diretta rappresentata a destra e tensione inversa a sinistra. Il punto di inizio o il valore zero è al centro del grafico. La corrente diretta si allunga sopra l'asse orizzontale con la corrente inversa che si estende verso il basso.

I valori combinati di tensione diretta e corrente diretta si trovano nella parte in alto a destra del grafico e tensione inversa e corrente inversa nell'angolo inferiore sinistro. Normalmente vengono utilizzate scale diverse per visualizzare i valori in avanti e all'indietro.

Caratteristica in avanti

Quando un diodo è polarizzato in avanti, conduce corrente (IF) in direzione diretta. Il valore di IF dipende direttamente dalla quantità di tensione diretta. La relazione tra tensione diretta e corrente diretta è chiamata ampere-volt o caratteristica IV di un diodo. Una tipica caratteristica IV diretta del diodo è mostrata nella figura seguente.

Di seguito sono riportate le osservazioni:

La tensione diretta viene misurata attraverso il diodo e la corrente diretta è una misura della corrente attraverso il diodo.
Quando la tensione diretta attraverso il diodo è pari a 0 V, la corrente diretta (IF) è pari a 0 mA.
Quando il valore parte dal punto iniziale (0) del grafico, se VF viene progressivamente aumentato a passi di 0,1 V, IF inizia a salire.
Quando il valore di VF è abbastanza grande da superare il potenziale barriera della giunzione PN, si verifica un aumento considerevole di IF. Il punto in cui ciò si verifica è spesso chiamato tensione del ginocchioV_K. Per diodi al germanio,V_K è di circa 0,3 V e 0,7 V per il silicio.
Se il valore di IF aumenta molto oltre V_K, la corrente diretta diventa piuttosto grande.

Questa operazione provoca lo sviluppo di un calore eccessivo attraverso la giunzione e può distruggere un diodo. Per evitare questa situazione, una resistenza di protezione è collegata in serie al diodo. Questo resistore limita la corrente diretta al suo valore nominale massimo. Normalmente, viene utilizzato un resistore di limitazione della corrente quando i diodi vengono azionati nella direzione in avanti.

Caratteristica inversa

Quando un diodo è polarizzato inversamente, conduce una corrente inversa che di solito è piuttosto piccola. Una tipica caratteristica IV inversa del diodo è mostrata nella figura sopra.

La linea di corrente inversa verticale in questo grafico ha valori di corrente espressi in microampere. La quantità di portatori di corrente di minoranza che prendono parte alla conduzione della corrente inversa è piuttosto piccola. In generale, ciò significa che la corrente inversa rimane costante su gran parte della tensione inversa. Quando la tensione inversa di un diodo viene aumentata dall'inizio, si verifica una variazione molto leggera nella corrente inversa. Nel punto della tensione di rottura (VBR), la corrente aumenta molto rapidamente. La tensione attraverso il diodo rimane ragionevolmente costante in questo momento.

Questa caratteristica di tensione costante porta a una serie di applicazioni del diodo in condizioni di polarizzazione inversa. I processi responsabili della conduzione di corrente in un diodo a polarizzazione inversa sono chiamati comeAvalanche breakdown e Zener breakdown.

Specifiche dei diodi

Come ogni altra selezione, deve essere considerata la selezione di un diodo per un'applicazione specifica. Il produttore generalmente fornisce questo tipo di informazioni. Specifiche come valori massimi di tensione e corrente, condizioni operative usuali, fatti meccanici, identificazione dei conduttori, procedure di montaggio, ecc.

Di seguito sono riportate alcune delle specifiche importanti:

Maximum forward current (IFM) - La massima corrente diretta ripetitiva assoluta che può passare attraverso un diodo.
Maximum reverse voltage (VRM) - La tensione di polarizzazione inversa massima o di picco assoluta che può essere applicata a un diodo.
Reverse breakdown voltage (VBR) - La tensione inversa minima a regime alla quale si verificherà il guasto.
Maximum forward surge current (IFM-surge)- La corrente massima che può essere tollerata per un breve intervallo di tempo. Questo valore corrente è molto maggiore di IFM.
Maximum reverse current (IR) - La corrente inversa massima assoluta che può essere tollerata alla temperatura di esercizio del dispositivo.
Forward voltage (VF) - Caduta di tensione diretta massima per una data corrente diretta alla temperatura di esercizio del dispositivo.
Power dissipation (PD) - La potenza massima che il dispositivo può assorbire in sicurezza in modo continuo in aria libera a 25 ° C.
Reverse recovery time (Trr) - Il tempo massimo impiegato dal dispositivo per passare dallo stato di accensione a quello di spegnimento.

Termini importanti

Breakdown Voltage - È la tensione di polarizzazione inversa minima alla quale la giunzione PN si interrompe con un improvviso aumento della corrente inversa.
Knee Voltage - È la tensione diretta alla quale la corrente attraverso la giunzione inizia ad aumentare rapidamente.
Peak Inverse Voltage - È la massima tensione inversa che può essere applicata alla giunzione PN, senza danneggiarla.
Maximum Forward Rating - È la più alta corrente diretta istantanea che una giunzione PN può attraversare, senza danneggiarla.
Maximum Power Rating - È la potenza massima che può essere dissipata dalla giunzione, senza danneggiare la giunzione.

I diodi emettitori di luce influenzano direttamente o indirettamente le nostre attività quotidiane. Dal display dei messaggi ai TV LED, ovunque siano presenti questi LED. È fondamentalmente un diodo a giunzione PN che emette luce quando una corrente diretta può attraversarlo. La figura seguente mostra il simbolo logico di un LED.

In che modo un diodo a giunzione PN emette luce?

I LED non sono realizzati in silicio o germanio ed elementi come l'arseniuro di gallio (GaAs) e il fosfuro di gallio (GaP). Questi materiali sono volutamente utilizzati in quanto emettono luce. Quindi, quando un LED è polarizzato in avanti, come al solito gli elettroni attraversano la giunzione e si uniscono con dei buchi.

Questa azione fa sì che gli elettroni della regione di tipo N cadano dalla conduzione e ritornino nella banda di valenza. In tal modo, l'energia posseduta da ciascun elettrone libero viene quindi rilasciata. Una parte dell'energia rilasciata emerge come calore e il resto è dato come energia luminosa visibile.

Se i LED sono realizzati in silicio e germanio, durante la ricombinazione degli elettroni tutta l'energia viene dissipata solo sotto forma di calore. D'altra parte, materiali come l'arseniuro di gallio (GaAs) e il fosfuro di gallio (GaP) possiedono abbastanza fotoni sufficienti per produrre luce visibile.

Se i LED sono realizzati con arseniuro di gallio, producono luce rossa.
Se i LED sono realizzati in fosfuro di gallio, tali LED emettono luce verde.

Consideriamo ora due LED collegati schiena contro schiena attraverso una fonte di alimentazione di tensione esterna, in modo tale che l'anodo di un LED sia collegato al catodo di un altro LED o viceversa. Quando una tensione esterna viene applicata a questo circuito, un LED funzionerà alla volta e, a causa di questa azione del circuito, emette una luce diversa quando un LED è polarizzato in avanti e l'altro è polarizzato inversamente o viceversa.

Vantaggi dei LED

I LED offrono i seguenti vantaggi:

Di dimensioni piuttosto ridotte.
Commutazione molto rapida.
Può funzionare a bassissima tensione.
Un'aspettativa di vita molto lunga.
La procedura di costruzione consente la produzione in diverse forme e modelli.

Applicazioni dei LED

I LED vengono utilizzati principalmente nei display numerici che indicano i numeri da 0 a 9. Sono utilizzati anche in seven-segment display si trovano in contatori digitali, orologi, calcolatrici, ecc.

È un tipo specifico di diodo semiconduttore, che è fatto per funzionare nella regione di rottura inversa. La figura seguente mostra la struttura cristallina e il simbolo di un diodo Zener. È per lo più simile a quello di un diodo convenzionale. Tuttavia, viene apportata una piccola modifica per distinguerlo dal simbolo di un diodo normale. La linea piegata indica la lettera "Z" dello Zener.

La differenza più significativa nei diodi Zener e nei normali diodi a giunzione PN è nella modalità in cui vengono utilizzati nei circuiti. Questi diodi vengono normalmente azionati solo nella direzione di polarizzazione inversa, il che implica che l'anodo deve essere collegato al lato negativo della sorgente di tensione e il catodo al positivo.

Se un diodo normale viene utilizzato allo stesso modo del diodo Zener, verrà distrutto a causa della corrente eccessiva. Questa proprietà rende il diodo Zener meno significativo.

La figura seguente mostra un regolatore con un diodo Zener.

Il diodo Zener è collegato in direzione di polarizzazione inversa attraverso una fonte di alimentazione CC non regolata. È fortemente drogato in modo da ridurre la tensione di breakdown inversa. Ciò si traduce in uno strato di esaurimento molto sottile. A causa di ciò, il diodo Zener ha una forte tensione di rottura inversaV_z.

Come per l'azione del circuito, il guasto si verifica bruscamente con un improvviso aumento della corrente come mostrato nella figura seguente.

Voltaggio V_zrimane costante con un aumento della corrente. A causa di questa proprietà, il diodo Zener è ampiamente utilizzato nella regolazione della tensione. Fornisce una tensione di uscita quasi costante indipendentemente dalla variazione di corrente attraverso lo Zener. Pertanto, la tensione di carico rimane a un valore costante.

Possiamo vedere che a una particolare tensione inversa nota come tensione del ginocchio, la corrente aumenta bruscamente con la tensione costante. A causa di questa proprietà, i diodi Zener sono ampiamente utilizzati nella stabilizzazione della tensione.

Un fotodiodo è un diodo a giunzione PN che condurrà corrente se esposto alla luce. Questo diodo è effettivamente progettato per funzionare in modalità di polarizzazione inversa. Significa che maggiore è l'intensità della luce che cade, maggiore sarà la corrente di polarizzazione inversa.

La figura seguente mostra un simbolo schematico e un dettaglio costruttivo di un fotodiodo.

Funzionamento di un foto diodo

È un reverse-biased diode. La corrente inversa aumenta all'aumentare dell'intensità della luce incidente. Ciò significa che la corrente inversa è direttamente proporzionale all'intensità della luce che cade.

Consiste in una giunzione PN montata su un substrato di tipo P e sigillata in una custodia metallica. Il punto di giunzione è realizzato in lente trasparente ed è la finestra in cui dovrebbe cadere la luce.

Come sappiamo, quando il diodo a giunzione PN è polarizzato inversamente, scorre una quantità molto piccola di corrente inversa. La corrente inversa è generata termicamente da coppie elettrone-lacuna nella regione di svuotamento del diodo.

Quando la luce cade sulla giunzione PN, viene assorbita dalla giunzione. Questo genererà più coppie elettrone-lacuna. Oppure possiamo dire, tipicamente, la quantità di corrente inversa aumenta.

In altre parole, all'aumentare dell'intensità della luce che cade, la resistenza del diodo di giunzione PN diminuisce.

Questa azione rende il diodo più conduttivo.
Questi diodi hanno tempi di risposta molto rapidi
Questi sono utilizzati in dispositivi di elaborazione elevati.
Viene anche utilizzato in circuiti di allarme, contro circuiti, ecc.

Una cella fotovoltaica di base è costituita da un semiconduttore di tipo n e di tipo p che formano una giunzione pn. La zona superiore è estesa e trasparente, generalmente esposta al sole. Questi diodi o celle sono eccezionali che generano una tensione quando esposti alla luce. Le cellule convertono l'energia luminosa direttamente in energia elettrica.

La figura seguente mostra il file symbol of photovoltaic cell.

Funzionamento di una cella fotovoltaica

La costruzione di una cella fotovoltaica è simile a quella di un diodo a giunzione PN. Non c'è flusso di corrente attraverso il dispositivo quando non viene applicata alcuna luce. In questo stato, la cella non sarà in grado di generare corrente.

È essenziale polarizzare correttamente la cellula che richiede una discreta quantità di luce. Non appena viene applicata la luce, si può osservare uno stato notevole del diodo a giunzione PN. Di conseguenza, gli elettroni acquisiscono energia sufficiente e si staccano dagli atomi genitori. Queste coppie elettrone-lacuna appena generate nella regione di svuotamento attraversano la giunzione.

In questa azione, gli elettroni si spostano nel materiale di tipo N a causa della sua normale concentrazione di ioni positivi. Allo stesso modo i fori penetrano nel materiale di tipo P a causa del suo contenuto di negazione. Ciò fa sì che il materiale di tipo N assuma istantaneamente una carica negativa e il materiale P assuma una carica positiva. La giunzione PN fornisce quindi una piccola tensione come risposta.

Caratteristiche di una cella fotovoltaica

La figura seguente a sinistra, mostra una delle caratteristiche, un grafico tra corrente inversa (I _R ) e illuminazione (E) di un fotodiodo. L'IR viene misurato sull'asse verticale e l'illuminazione viene misurata sull'asse orizzontale. Il grafico è una linea retta che passa per la posizione zero.

cioè, I _R = mE

m = grafico della pendenza in linea retta

Il parametro m è la sensibilità del diodo.

La figura a destra, mostra un'altra caratteristica del fotodiodo, un grafico tra corrente inversa (I _R ) e tensione inversa di un fotodiodo. È chiaro dal grafico che per una data tensione inversa, la corrente inversa aumenta all'aumentare dell'illuminazione sulla giunzione PN.

Queste celle generalmente forniscono energia elettrica a un dispositivo di carico quando viene applicata la luce. Se è richiesta una tensione maggiore, la matrice di queste celle viene utilizzata per fornire la stessa. Per questo motivo, le celle fotovoltaiche vengono utilizzate in applicazioni in cui sono disponibili elevati livelli di energia luminosa.

Questo è uno speciale diodo a giunzione PN con una concentrazione inconsistente di impurità nei suoi materiali PN. In un normale diodo a giunzione PN, le impurità droganti sono generalmente disperse in modo uguale in tutto il materiale. Il diodo varactor drogato con una quantità molto piccola di impurità vicino alla giunzione e la concentrazione di impurità aumenta allontanandosi dalla giunzione.

Nel diodo a giunzione convenzionale, la regione di svuotamento è un'area che separa il materiale P e N. La regione di svuotamento si sviluppa all'inizio quando si forma inizialmente la giunzione. Non ci sono portatori di corrente in questa regione e quindi la regione di esaurimento funge da mezzo dielettrico o isolante.

Il materiale di tipo P con fori come portatori di maggioranza e il materiale di tipo N con elettroni come portatori di maggioranza ora agiscono come piastre cariche. Pertanto il diodo può essere considerato come un condensatore con piastre caricate opposte di tipo N e P e la regione di svuotamento funge da dielettrico. Come sappiamo, i materiali P e N, essendo semiconduttori, sono separati da un isolante della regione di svuotamento.

Vengono chiamati diodi progettati per rispondere all'effetto di capacità sotto polarizzazione inversa varactors, varicap diodes, o voltage-variable capacitors.

La figura seguente mostra il simbolo del diodo Varactor.

I diodi Varactor normalmente funzionano nella condizione di polarizzazione inversa. Quando la polarizzazione inversa aumenta, aumenta anche la larghezza della regione di svuotamento, con conseguente minore capacità. Ciò significa che quando la polarizzazione inversa diminuisce, si può vedere un corrispondente aumento della capacità. Pertanto, la capacità del diodo varia in modo inversamente proporzionale alla tensione di polarizzazione. Di solito questo non è lineare. Funziona tra zero e la tensione di rottura inversa.

La capacità del diodo Varactor è espressa come -

$$C_T = E\frac{A}{W_d}$$

C_T = Capacità totale della giunzione
E = Permittività del materiale semiconduttore
A = Area della sezione trasversale della giunzione
W_d = Larghezza dello strato di esaurimento

Questi diodi sono variabili utilizzati nelle applicazioni a microonde. I diodi Varactor vengono utilizzati anche in circuiti risonanti in cui è richiesto un certo livello di regolazione della tensione o controllo della frequenza. Questo diodo è anche impiegato nel controllo automatico della frequenza (AFC) nei ricevitori radio e televisivi FM.

I transistor bipolari sono formati principalmente da due strati di materiale semiconduttore di tipo opposto, collegati schiena contro schiena. Il tipo di impurità aggiunta al silicio o al germanio decide la polarità quando si forma.

Transistor NPN

Un transistor NPN è composto da due materiali di tipo N separati da un sottile strato di materiale semiconduttore di tipo P. La struttura cristallina e il simbolo schematico del transistor NPN sono mostrati nella figura sopra.

Ci sono tre derivazioni estratte da ogni tipo di materiale riconosciuto come emitter, base, e collector. Nel simbolo, quando la punta della freccia dell'emettitore è diretta verso l'esterno dalla base, indica che il dispositivo è di tipo NPN.

Transistor PNP

Un transistor PNP è composto da due materiali di tipo P separati da un sottile strato di materiale semiconduttore di tipo N. Di seguito sono mostrati la struttura cristallina e il simbolo schematico di un transistor PNP.

Nel simbolo, quando la punta della freccia dell'emettitore è diretta verso l'interno verso la base, indica che il dispositivo è di tipo PNP.

Di seguito sono riportate alcune tecniche di produzione utilizzate nella costruzione di un transistor:

Tipo di diffusione

In questo metodo, il wafer di semiconduttore è sottoposto ad una certa diffusione gassosa di impurità di tipo N e di tipo P per formare giunzioni emettitore e collettore. Innanzitutto, la giunzione base-collettore viene determinata e fotoincisa appena prima della diffusione della base. Successivamente l'emettitore viene diffuso sulla base. I transistor prodotti con questa tecnica hanno una figura di rumore migliore e si vede anche un miglioramento nel guadagno di corrente.

Tipo cresciuto

È formato estraendo un singolo cristallo da silicio fuso o germanio. La concentrazione di impurità richiesta viene aggiunta durante l'operazione di trafilatura dei cristalli.

Tipo epitassiale

Uno strato di silicio o germanio di elevata purezza e sottile singolo cristallo viene coltivato su un substrato fortemente drogato dello stesso tipo. Questa versione migliorata del cristallo forma il collettore su cui si formano l'emettitore e le giunzioni di base.

Tipo di lega

In questo metodo, la sezione di base è costituita da una sottile fetta di materiale di tipo N. Ai lati opposti della fetta, vengono attaccati due piccoli punti di Indio e la formazione completa viene mantenuta ad alta temperatura per un tempo più breve. La temperatura sarebbe superiore alla temperatura di fusione dell'indio e inferiore al germanio. Questa tecnica è anche nota come costruzione fusa.

Tipo con incisione elettrochimica

In questo metodo, sui lati opposti di un wafer semiconduttore, viene incisa una depressione per ridurre la larghezza della regione di base. Quindi un metallo adatto viene galvanizzato nell'area delle depressioni per formare giunzioni di emettitore e collettore.

I transistor hanno tre sezioni, vale a dire: il emitter, il base, e il collector.

Il base è molto più sottile dell'emettitore e il collettore è relativamente più largo di entrambi.
Il emitter è fortemente drogato in modo da poter iniettare un gran numero di portatori di carica per la conduzione di corrente.
La base trasmette la maggior parte dei portatori di carica al collettore poiché è relativamente leggermente drogata dell'emettitore e del collettore.

Per un corretto funzionamento del transistor, la regione di base dell'emettitore deve essere polarizzata in avanti e la regione di base del collettore deve essere polarizzata inversamente.

Nei circuiti a semiconduttore, la tensione sorgente è chiamata tensione di polarizzazione. Per funzionare, i transistor bipolari devono avere entrambe le giunzioni polarizzate. Questa condizione fa fluire una corrente attraverso il circuito. La regione di esaurimento del dispositivo viene ridotta e la maggior parte dei portatori di corrente vengono iniettati verso la giunzione. Una delle giunzioni di un transistor deve essere polarizzata in avanti e l'altra deve essere polarizzata inversamente quando funziona.

Funzionamento del transistor NPN

Come mostrato nella figura sopra, l'emettitore alla giunzione di base è polarizzato in avanti e il collettore alla giunzione di base è polarizzato inversamente. La polarizzazione diretta sull'emettitore alla giunzione base fa sì che gli elettroni fluiscano dall'emettitore di tipo N verso la polarizzazione. Questa condizione determina la corrente dell'emettitore (I _E ).

Durante l'attraversamento del materiale di tipo P, gli elettroni tendono a combinarsi con buchi, generalmente molto pochi, e costituiscono la corrente di base (I _B ). Il resto degli elettroni attraversa la sottile regione di esaurimento e raggiunge la regione del collettore. Questa corrente costituisce la corrente del collettore (I _C ).

In altre parole, la corrente dell'emettitore fluisce effettivamente attraverso il circuito del collettore. Pertanto, si può considerare che la corrente dell'emettitore è la somma della corrente di base e del collettore. Può essere espresso come,

Io _E = io _B + io _C

Funzionamento del transistor PNP

Come mostrato nella figura seguente, l'emettitore alla giunzione di base è polarizzato in avanti e il collettore alla giunzione di base è polarizzato inversamente. La polarizzazione diretta dall'emettitore alla giunzione di base fa sì che i fori fluiscano dall'emettitore di tipo P verso il bias. Questa condizione determina la corrente dell'emettitore (I _E ).

Durante l'attraversamento del materiale di tipo N, gli elettroni tendono a combinarsi con gli elettroni, generalmente pochissimi, e costituiscono la corrente di base (I _B ). Il resto dei fori attraversa la sottile regione di esaurimento e raggiunge la regione del collettore. Questa corrente costituisce la corrente del collettore (I _C ).

Io _E = io _B + io _C

Quando un transistor è collegato in un circuito, sono necessari quattro terminali o cavi o gambe, due sia per l'ingresso che per l'uscita. Poiché sappiamo che i transistor hanno solo 3 terminali, questa situazione può essere superata rendendo comune uno dei terminali sia per la sezione di ingresso che per quella di uscita. Di conseguenza, un transistor può essere collegato in tre configurazioni come segue:

Configurazione di base comune
Configurazione comune dell'emettitore
Configurazione comune di raccolta

Di seguito sono riportati alcuni punti importanti da notare sul funzionamento dei transistor.

Un transistor può essere utilizzato in tre regioni, vale a dire regione attiva, saturazione e cutoff.
Un transistor quando viene utilizzato nella regione attiva, la giunzione base-emettitore è polarizzata in avanti e la giunzione collettore-base è polarizzata inversamente.
Un transistor quando viene utilizzato nella regione di saturazione, la giunzione base-emettitore è polarizzata in avanti e anche la giunzione collettore-base è polarizzata in avanti.
Un transistor quando viene utilizzato nella regione di taglio, sia la giunzione base-emettitore che la giunzione collettore-base sono polarizzate inversamente.

Confronto della configurazione del transistor

La tabella seguente mostra il confronto della configurazione del transistor.

Caratteristiche	Emettitore comune	Base comune	Collezionista comune
Guadagno corrente	Alto	No	Notevole
Applicazioni	Frequenza audio	Alta frequenza	Adeguamento dell'impedenza
Resistenza in ingresso	Basso	Basso	Molto alto
Resistenza in uscita	Alto	Molto alto	Basso
Guadagno di tensione	Circa. 500	Circa. 150	Meno di 1

Vantaggi e svantaggi dei transistor

La tabella seguente elenca i vantaggi e gli svantaggi dei transistor.

Vantaggi	Svantaggi
Bassa tensione di sorgente	Dipendenza dalla temperatura
Guadagno ad alta tensione	Bassa dissipazione di potenza
Di dimensioni inferiori	Bassa impedenza di ingresso

Fattore di amplificazione corrente (α)

Il rapporto tra la variazione della corrente del collettore e la variazione della corrente dell'emettitore a una tensione costante dal collettore alla base V_cb è noto come fattore di amplificazione corrente ‘α’. Può essere espresso come

$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$presso Constant V _CB

È chiaro che il fattore di amplificazione della corrente è inferiore all'unità ed è inversamente proporzionale alla corrente di base considerato che la base è leggermente drogata e sottile.

Fattore di amplificazione della corrente di base (β)

È il rapporto tra la variazione della corrente del collettore e la variazione della corrente di base. Una piccola variazione nella corrente di base si traduce in una variazione molto ampia nella corrente del collettore. Pertanto, il transistor è in grado di ottenere un guadagno di corrente. Può essere espresso come

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$$

Transistor come amplificatore

La figura seguente mostra che un resistore di carico (R _L ) è in serie alla tensione di alimentazione del collettore (V _cc ). Un piccolo cambiamento di tensioneΔV_i tra l'emettitore e la base provoca una variazione relativamente grande della corrente dell'emettitore ΔI_E.

Definiamo dal simbolo "a" - la frazione di questo cambiamento attuale - che viene raccolto e attraversato R_L. La variazione della tensione di uscita attraverso il resistore di caricoΔV_o = a’RL ΔI_Epuò essere molte volte la variazione di tensione di ingresso ΔV _I . In queste circostanze, l'amplificazione della tensioneA == V_O/ΔV_I sarà maggiore dell'unità e il transistor funge da amplificatore.

Un transistor ad effetto di campo (FET) è un dispositivo semiconduttore a tre terminali. Il suo funzionamento si basa su una tensione di ingresso controllata. In apparenza JFET e transistor bipolari sono molto simili. Tuttavia, BJT è un dispositivo controllato in corrente e JFET è controllato dalla tensione di ingresso. Più comunemente sono disponibili due tipi di FET.

Transistor a effetto di campo a giunzione (JFET)
FET a semiconduttore a ossido di metallo (IGFET)

Transistor a effetto di campo a giunzione

Il funzionamento del transistor a effetto di campo a giunzione dipende solo dal flusso dei vettori maggioritari (elettroni o lacune). Fondamentalmente, i JFET sono costituiti da un fileN digitare o Ptipo barra in silicone contenente giunzioni PN ai lati. Di seguito sono riportati alcuni punti importanti da ricordare su FET:

Gate- Utilizzando la tecnica di diffusione o lega, entrambi i lati della barra di tipo N sono fortemente drogati per creare una giunzione PN. Queste regioni drogate sono chiamate gate (G).
Source - È il punto di ingresso per i portatori di maggioranza attraverso il quale entrano nella barra dei semiconduttori.
Drain - È il punto di uscita per i portatori di maggioranza attraverso il quale escono dalla barra dei semiconduttori.
Channel - È l'area del materiale di tipo N attraverso la quale i vettori maggioritari passano dalla sorgente allo scarico.

Esistono due tipi di JFET comunemente usati nei dispositivi semiconduttori di campo: N-Channel JFET e P-Channel JFET.

JFET canale N

Ha un sottile strato di materiale di tipo N formato su un substrato di tipo P. La figura seguente mostra la struttura cristallina e il simbolo schematico di un JFET a canale N. Quindi la porta viene formata sopra il canale N con materiale di tipo P. Alla fine del canale e del gate, i fili conduttori sono collegati e il substrato non ha alcun collegamento.

Quando una sorgente di tensione CC è collegata alla sorgente e ai conduttori di drenaggio di un JFET, la corrente massima fluirà attraverso il canale. La stessa quantità di corrente fluirà dalla sorgente e dai terminali di drenaggio. La quantità di flusso di corrente del canale sarà determinata dal valore di V _DD e dalla resistenza interna del canale.

Un valore tipico della resistenza source-drain di un JFET è di alcune centinaia di ohm. È chiaro che anche a cancello aperto si avrà piena conduzione di corrente nel canale. Essenzialmente, la quantità di tensione di polarizzazione applicata all'ID controlla il flusso delle portanti di corrente che passano attraverso il canale di un JFET. Con una piccola variazione nella tensione di gate, JFET può essere controllato ovunque tra la piena conduzione e lo stato di interruzione.

JFET canale P.

Ha un sottile strato di materiale di tipo P formato su un substrato di tipo N. La figura seguente mostra la struttura cristallina e il simbolo schematico di un JFET a canale N. La porta è formata sopra il canale P con materiale di tipo N. Alla fine del canale e del cancello, i cavi sono collegati. Il resto dei dettagli costruttivi è simile a quello del JFET a canale N.

Normalmente per il funzionamento generale, il terminale di gate è reso positivo rispetto al terminale di source. La dimensione dello strato di svuotamento della giunzione PN dipende dalle fluttuazioni nei valori della tensione di gate polarizzata inversa. Con una piccola variazione nella tensione di gate, JFET può essere controllato ovunque tra la piena conduzione e lo stato di interruzione.

Caratteristiche di uscita di JFET

Le caratteristiche di uscita del JFET sono disegnate tra la corrente di drain (I _D ) e la tensione di drain source (V _DS ) a tensione di gate source costante (V _GS ) come mostrato nella figura seguente.

Inizialmente, la corrente di drain (I _D ) aumenta rapidamente con la tensione di drain source (V _DS ), tuttavia diventa improvvisamente costante a una tensione nota come tensione di pinch-off (V _P ). Al di sopra della tensione di pinch-off, la larghezza del canale diventa così stretta da consentire il passaggio di una corrente di drenaggio molto piccola. Pertanto, la corrente di drain (I _D ) rimane costante al di sopra della tensione di pinch-off.

Parametri di JFET

I parametri principali di JFET sono:

Resistenza allo scarico AC (Rd)
Transconductance
Fattore di amplificazione

AC drain resistance (R_d)- È il rapporto tra la variazione della tensione di drain source (ΔV _DS ) e la variazione della corrente di drain (ΔI _D ) a tensione gate-source costante. Può essere espresso come,

R _d = (ΔV _DS ) / (ΔI _D ) alla costante V _GS

Transconductance (g_fs)- È il rapporto tra la variazione della corrente di drain (ΔI _D ) e la variazione della tensione di gate source (ΔV _GS ) a tensione drain-source costante. Può essere espresso come,

g _fs = (ΔI _D ) / (ΔV _GS ) alla costante V _DS

Amplification Factor (u)- È il rapporto tra la variazione della tensione di drain-source (ΔV _DS ) e la variazione della tensione di gate source (ΔV _GS ) della corrente di drain costante (ΔI _D ). Può essere espresso come,

u = (ΔV _DS ) / (ΔV _GS ) alla costante I _D

Ci sono due metodi in uso per polarizzare il JFET: metodo di auto-polarizzazione e metodo del divisore potenziale. In questo capitolo, discuteremo questi due metodi in dettaglio.

Metodo di auto-polarizzazione

La figura seguente mostra il metodo di auto-polarizzazione del JFET a canale n. La corrente di drenaggio scorre attraversoR_se produce la tensione di polarizzazione richiesta. Perciò,R_s è il resistore di polarizzazione.

Pertanto, la tensione attraverso il resistore di polarizzazione,

$$V_s = I_{DRS}$$

Come sappiamo, la corrente di gate è trascurabilmente piccola, il terminale di gate è a massa CC, V _G = 0,

$$V_{GS} = V_G - V_s = 0 - I_{DRS}$$

O $V_{GS} = -I_{DRS}$

V _GS mantiene il gate negativo rispetto alla sorgente.

Metodo del divisore di tensione

La figura seguente mostra il metodo del partitore di tensione per polarizzare i JFET. Qui, i resistori R ₁ e R ₂ formano un circuito divisore di tensione attraverso la tensione di alimentazione di drain (V _DD ), ed è più o meno identico a quello utilizzato nella polarizzazione del transistor.

La tensione su R ₂ fornisce la polarizzazione necessaria -

$$V_2 = V_G = \frac{V_{DD}}{R_1 + R_2} \times R_2$$

$= V_2 + V_{GS} + I_D + R_S$

O $V_{GS} = V_2 - I_{DRS}$

Il circuito è progettato in modo che V _GS sia sempre negativo. Il punto di lavoro può essere trovato utilizzando la seguente formula:

$$I_D = \frac{V_2 - V_{GS}}{R_S}$$

e $V_{DS} = V_{DD} - I_D(R_D + R_S)$

Metal-oxide semiconductor field-effect transistors, noti anche come MOSFET, hanno una maggiore importanza e sono una nuova aggiunta alla famiglia FET.

Ha un substrato di tipo P leggermente drogato in cui sono diffuse due zone di tipo N altamente drogate. Una caratteristica unica di questo dispositivo è la sua costruzione del cancello. Qui il cancello è completamente isolato dal canale. Quando la tensione viene applicata al gate, svilupperà una carica elettrostatica.

A questo punto, non è consentito il flusso di corrente nella regione di gate del dispositivo. Inoltre, il cancello è un'area del dispositivo, che è rivestita di metallo. Generalmente, il biossido di silicio viene utilizzato come materiale isolante tra il gate e il canale. Per questo motivo, è anche noto comeinsulated gate FET. Esistono due MOSFET ampiamente utilizzati i) MOSFET a esaurimento ii) MOSFET di potenziamento.

MOSFET D

Le figure seguenti mostrano D-MOSFET a canale n e il simbolo. Il gate forma un condensatore con gate come una piastra e l'altra piastra è il canale con lo strato di SiO ₂ come dielettrico. Al variare della tensione di gate, cambia il campo elettrico del condensatore, che a sua volta varia la resistenza del canale n.

In questo caso, possiamo applicare una tensione positiva o negativa al gate. Quando il MOSFET viene azionato con una tensione di gate negativa, si chiama modalità di svuotamento e quando viene azionato con una tensione di gate positiva viene chiamato come modalità di funzionamento di miglioramento del MOSFET.

Modalità esaurimento

La figura seguente mostra un MOSFET D a canale n in modalità di funzionamento a esaurimento.

Il suo funzionamento è il seguente:

La maggior parte degli elettroni sono disponibili sul cancello poiché il cancello è negativo e respinge gli elettroni di n canale.
Questa azione lascia ioni positivi nella parte del canale. In altre parole, alcuni degli elettroni liberi dincanale sono esauriti. Di conseguenza, è disponibile un numero inferiore di elettroni per la conduzione della corrente attraverson canale.
Maggiore è la tensione negativa al gate, minore è la corrente dalla sorgente allo scarico. Quindi, possiamo cambiare la resistenza del canale n e la corrente dalla sorgente allo scarico variando la tensione negativa sul gate.

Modalità miglioramento

La figura seguente mostra un MOSFET a canale D in modalità di funzionamento potenziata. Qui, il gate funge da condensatore. Tuttavia, in questo caso il cancello è positivo. Provoca gli elettroni neln canale e il numero di elettroni aumenta nel n canale.

Una tensione di gate positiva migliora o aumenta la conduttività del canale. Maggiore è la tensione positiva sul gate, maggiore è la conduzione dalla sorgente allo scarico.

Quindi, possiamo cambiare la resistenza del canale n e la corrente dalla sorgente allo scarico variando la tensione positiva sul gate.

Caratteristiche di trasferimento del D - MOSFET

La figura seguente mostra le caratteristiche di trasferimento del D-MOSFET.

Quando V _GS diventa negativo, I _D scende al di sotto del valore di I _DSS , fino a quando non raggiunge lo zero e V _GS = V _GS (off) (modalità Depletion). Quando V _GS è zero, I _D = I _DSS perché il gate e i terminali di source sono in cortocircuito. I _D aumenta al di sopra del valore di I _DSS , quando V _GS è positivo e il MOSFET è in modalità di miglioramento.

Un amplificatore operazionale, o amplificatore operazionale, è un amplificatore differenziale ad altissimo guadagno con alta impedenza di ingresso e bassa impedenza di uscita. Gli amplificatori operazionali vengono generalmente utilizzati per fornire variazioni di ampiezza della tensione, oscillatori, circuiti di filtro, ecc. Un amplificatore operazionale può contenere un numero di stadi di amplificazione differenziale per ottenere un guadagno di tensione molto elevato.

Questo è un amplificatore differenziale ad alto guadagno che utilizza l'accoppiamento diretto tra l'uscita e l'ingresso. Questo è adatto per le operazioni CC e CA. Gli amplificatori operazionali svolgono numerose funzioni elettroniche come dispositivi di strumentazione, generatori di segnali, filtri attivi, ecc. Oltre a varie operazioni matematiche. Questo dispositivo versatile viene utilizzato anche in molte applicazioni non lineari, come comparatori di tensione, convertitori analogico-digitali e convertitori digitale-analogico, amplificatori logaritmici, generatori di funzioni non lineari, ecc.

Amplificatore differenziale di base

La figura seguente mostra un amplificatore differenziale di base:

Nella figura sopra -

V_DI = ingresso differenziale
V_DI= V ₁ - V ₂
V_DO = uscita differenziale
V_DO= V _C1 - V _C2

Questo amplificatore amplifica la differenza tra i due segnali di ingresso, V ₁ e V ₂ .

Guadagno di tensione differenziale,

$$A_d = \frac{V_{DO}}{V_{DI}}$$

$$A_d = \frac{(V_{C1} - V_{C2})}{V_{DI}}$$

Come mostrato nella figura seguente, l'amplificatore operazionale di base è costituito da tre fasi:

Fase di input

Questa è la prima fase e ha le seguenti caratteristiche.

CMR alto (rifiuto di modo comune)
Alta impedenza di ingresso
Ampia larghezza di banda
Offset di ingresso basso (CC)

Queste sono alcune caratteristiche significative per le prestazioni dell'amplificatore operazionale. Questo stadio è costituito da uno stadio amplificatore differenziale e un transistor è polarizzato in modo da agire come una sorgente di corrente costante. La sorgente di corrente costante aumenta notevolmente il CMR dell'amplificatore differenziale.

Di seguito sono riportati i due ingressi all'amplificatore differenziale:

V ₁ = Ingresso non invertente
V ₂ = Ingresso invertente

Fase intermedia

Questa è la seconda fase e progettata per ottenere migliori guadagni di tensione e corrente. Il guadagno di corrente è necessario per fornire corrente sufficiente per pilotare lo stadio di uscita, dove viene generata la maggior parte della potenza dell'amplificatore operazionale. Questo stadio è costituito da uno o più amplificatori differenziali seguiti da un inseguitore di emettitore e uno stadio di spostamento del livello CC. Il circuito di spostamento del livello consente a un amplificatore di avere due ingressi differenziali con una singola uscita.

V _out = + ve	quando V ₁ > V ₂
V _out = -ve	quando V ₂ <V ₁
V _out = 0	quando V ₁ = V ₂

Fase di uscita

Questo è l'ultimo stadio dell'amplificatore operazionale ed è progettato per avere una bassa impedenza di uscita. Ciò fornisce la corrente necessaria per guidare il carico. Più o meno corrente verrà prelevata dallo stadio di uscita man mano che il carico varia. Pertanto, è essenziale che la fase precedente funzioni senza essere influenzata dal carico in uscita. Questo requisito è soddisfatto progettando questo stadio in modo da avere un'elevata impedenza di ingresso e un elevato guadagno di corrente, tuttavia con una bassa impedenza di uscita.

L'amplificatore operazionale ha due ingressi: Non-inverting input e Inverting input.

La figura sopra mostra il tipo invertente di amplificatore operazionale. Un segnale che viene applicato al terminale di ingresso invertente viene amplificato, tuttavia il segnale di uscita è sfasato di 180 gradi rispetto al segnale di ingresso. Un segnale applicato al terminale di ingresso non invertente viene amplificato e il segnale di uscita è in fase con il segnale di ingresso.

L'amplificatore operazionale può essere collegato in un gran numero di circuiti per fornire varie caratteristiche operative.

Amplificatore invertente

La figura seguente mostra un amplificatore invertente. Il segnale in ingresso viene amplificato e invertito. Questo è il circuito amplificatore a guadagno costante più utilizzato.

V _o = -R _f .V _in / R ₁

Guadagno di tensione A = (-R _f / R ₁ )

Amplificatore non invertente

La figura seguente mostra un circuito op-amp che funziona come un amplificatore non invertente o moltiplicatore a guadagno costante e ha una migliore stabilità di frequenza.

Il segnale in ingresso è amplificato ma non invertito.

Uscita V _o = [(R ₁ + R _f ) / R ₁ ] V ₁

Guadagno di tensione A = (R ₁ + R _f ) / R ₁

Amplificatore sommatore invertente

La figura seguente mostra un amplificatore sommatore invertente. È il circuito più utilizzato dell'amplificatore operazionale. Il circuito mostra un amplificatore sommatore a tre ingressi, che fornisce un mezzo per sommare algebricamente tre tensioni, ciascuna moltiplicata per un fattore di guadagno costante. La tensione di uscita è espressa come,

V _o = [(-R ₄ / R ₁ ) V ₁ ] [(- R ₄ / R ₂ ) V ₂ ] [(- R ₄ / R ₃ ) V ₃ ]

V _o = -R ₄ (V ₁ / R ₁ + V ₂ / R ₂ + V ₃ / R ₃ )

Se, R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ = R & R _s = R / 3

V _o = - (V ₁ + V ₂ + V ₃ )

La figura seguente mostra che il componente di feedback utilizzato è un condensatore e la connessione risultante è chiamata integratore.

L'equivalente di terra virtuale mostra che un'espressione per la tensione tra l'ingresso e l'uscita può essere derivata in termini di corrente (I), dall'ingresso all'uscita. Ricorda che massa virtuale significa che possiamo considerare la tensione alla giunzione di R e X _C come massa (poiché V _i ≈ 0 V) tuttavia nessuna corrente entra nel terreno in quel punto. L'impedenza capacitiva può essere espressa come

$$X_C = \frac{1}{jwC} = \frac{1}{sC}$$

Dove s= jw come nella notazione di Laplace. Risolvere l'equazione per$V_o/V_i$ produce la seguente equazione

$$I = \frac{V_1}{R_1} = \frac{-V_0}{X_c} = \frac{-\frac{V_0}{I}}{sC} = \frac{V_0}{V_1}$$

$$\frac{V_0}{V_1} = \frac{-1}{sCR_1}$$

Può essere scritto nel dominio del tempo come

$$V_o(t) = -\frac{1}{RC}\int V_1(t)dt$$

Un circuito differenziatore è mostrato nella figura seguente.

Il differenziatore fornisce un'operazione utile, essendo la relazione risultante per il circuito

V _o (t) = RC (dv1 (t) / dt

Di seguito sono riportati alcuni parametri importanti dell'amplificatore operazionale:

Guadagno di tensione ad anello aperto (AVOL)

Il guadagno di tensione ad anello aperto di un amplificatore operazionale è il suo guadagno differenziale in condizioni in cui non viene utilizzata alcuna retroazione negativa. L'AVOL varia da 74 db a 100 db.

AVOL = [V _o / (V ₁ - V ₂ )]

Tensione di offset in uscita (VOO)

La tensione di offset di uscita di un amplificatore operazionale è la sua tensione di uscita quando la sua tensione di ingresso differenziale è zero.

Reiezione di modo comune (CMR)

Se entrambi gli ingressi sono allo stesso potenziale, causando l'ingresso differenziale zero, e se l'uscita è zero, si dice che l'amplificatore operazionale abbia una buona reiezione di modo comune.

Guadagno di modo comune (AC)

Il guadagno di modo comune di un amplificatore operazionale è il rapporto tra la tensione di uscita di modo comune e la tensione di ingresso di modo comune.

Guadagno differenziale (AD)

Il guadagno differenziale di un amplificatore operazionale è il rapporto tra l'uscita e l'ingresso differenziale.

Annuncio = [V _o / (V ₁ ) - V ₂ ]

Rapporto di reiezione di modo comune (CMRR)

CMRR di un amplificatore operazionale è definito come il rapporto tra il guadagno differenziale ad anello chiuso e il guadagno di modo comune.

CMRR = Ad / AC

Velocità di rotazione (SR)

La velocità di risposta è la velocità di variazione della tensione di uscita causata da una tensione di ingresso a gradini. Una velocità di variazione ideale è infinita, il che significa che l'uscita dell'amplificatore operazionale dovrebbe cambiare istantaneamente in risposta a una tensione di gradino in ingresso.

Abbiamo già discusso alcune applicazioni dell'amplificatore operazionale come differenziatore, integratore, amplificatore sommatore, ecc. Alcune altre applicazioni comuni degli amplificatori operazionali sono:

Amplificatore logaritmico
Gyrator (simulatore di induttanza)
Inseguitore di tensione DC e AC
Convertitore da analogico a digitale
Convertitore da digitale ad analogico
Alimentatori per protezione da sovratensioni
Indicatore di polarità
Inseguitore di tensione
Filtri attivi

Un oscillatore è un circuito elettronico che genera oscillazioni sinusoidali note come sinusoidal oscillator. Converte l'energia in ingresso da una sorgente CC in energia in uscita CA di forma d'onda periodica, a una frequenza specifica e con ampiezza nota. La caratteristica dell'oscillatore è che mantiene la sua uscita AC.

La figura seguente mostra un amplificatore con segnale di feedback anche in assenza di un segnale di ingresso applicato esternamente. Un oscillatore sinusoidale è essenzialmente una forma di amplificatore a retroazione, in cui requisiti speciali sono posti sul guadagno di tensioneA_v e le reti di feedback β.

Si consideri l'amplificatore di retroazione della figura sopra, dove la tensione di retroazione V _f = βV _O fornisce l'intera tensione di ingresso

$V_i = V_f = \beta V_0 = A_V\beta V_i$ (1)

$V_i = A_V\beta V_i$ O $(1 - A_V\beta)V_i = 0$ (2)

Se deve essere prodotta una tensione di uscita, la tensione di ingresso non può essere zero. Quindi, affinché V _i esista, l'equazione (2) lo richiede

$(1 - A_V\beta) = 0$ O $A_V\beta = 1$ (3)

L'equazione (3) è nota come “Barkhausen criterion”, che stabilisce due requisiti fondamentali per l'oscillazione:

Il guadagno di tensione attorno all'amplificatore e al loop di feedback, chiamato guadagno del loop, deve essere unità, o $A_V\beta = 1$.
Lo sfasamento tra $V_i$ e $V_f$, chiamato sfasamento del loop, deve essere zero.

Se queste due condizioni sono soddisfatte, l'amplificatore di retroazione della figura sopra genererà una forma d'onda di uscita sinusoidale in modo coerente.

Parliamo ora in dettaglio di alcuni tipici circuiti di oscillatori.

Oscillatore a spostamento di fase

Un circuito oscillatore che segue il progresso fondamentale di un circuito di feedback è l'oscillatore a spostamento di fase. Un oscillatore a spostamento di fase è mostrato nella figura seguente. I requisiti per l'oscillazione sono che il guadagno del loop (βA) dovrebbe essere maggiore dell'unità e lo sfasamento tra ingresso e uscita dovrebbe essere 360 ^o .

Il feedback viene fornito dall'uscita della rete RC all'ingresso dell'amplificatore. Lo stadio dell'amplificatore operazionale fornisce uno spostamento iniziale di 180 gradi e la rete RC introduce una quantità aggiuntiva di spostamento di fase. Ad una frequenza specifica, lo sfasamento introdotto dalla rete è esattamente di 180 gradi, quindi il loop sarà di 360 gradi e la tensione di feedback è nella tensione di ingresso di fase.

Il numero minimo di stadi RC nella rete di feedback è tre, poiché ogni sezione fornisce 60 gradi di sfasamento. L'oscillatore RC è ideale per la gamma di frequenze audio, da pochi cicli a circa 100 KHz. Alle frequenze più alte, l'impedenza di rete diventa così bassa da poter caricare seriamente l'amplificatore, riducendo così il suo guadagno di tensione al di sotto del valore minimo richiesto, e le oscillazioni cesseranno.

Alle basse frequenze, l'effetto di carico non è solitamente un problema e gli elevati valori di resistenza e capacità richiesti sono prontamente disponibili. Utilizzando l'analisi di rete di base, l'oscillazione della frequenza può essere espressa come

$$f = \frac{1}{2\pi RC \sqrt{6}}$$

Oscillatore Wien Bridge

Un pratico circuito dell'oscillatore utilizza un amplificatore operazionale e un circuito a ponte RC, con la frequenza dell'oscillatore impostata da R e Ccomponenti. La figura seguente mostra una versione base di un circuito oscillatore Wien bridge.

Notare la connessione bridge di base. I resistori R ₁ e R ₂ e i condensatori C ₁ e C ₂ formano gli elementi di regolazione della frequenza, mentre i resistori R ₃ e R ₄ fanno parte del percorso di feedback.

In questa applicazione, la tensione di ingresso (V _i ) al ponte è la tensione di uscita dell'amplificatore e la tensione di uscita (V _o ) del ponte è un feedback all'ingresso dell'amplificatore. Trascurando gli effetti di carico delle impedenze di ingresso e uscita dell'amplificatore operazionale, l'analisi del circuito a ponte risulta

$$\frac{R_3}{R_4} = \frac{R_1}{R_2} + \frac{C_2}{C_1}$$

$$f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{R_1C_1R_2C_2}}$$

Se R ₁ = R ₂ = R e C ₁ = C ₂ = C, la frequenza dell'oscillatore risultante è

$$f_o = \frac{1}{2\pi RC}$$

Oscillatore Hartley

La figura seguente mostra l'oscillatore Hartley. È uno dei circuiti RF più comuni. Viene normalmente utilizzato come oscillatore locale in un ricevitore di trasmissione di comunicazioni. Il transistore a giunzione bipolare nella connessione emettitore comune è l'amplificatore di tensione ed è sollecitato da un circuito di polarizzazione universale costituito da R ₁ , R ₂ , R _E . Il condensatore di bypass dell'emettitore (C _E ) aumenta il guadagno di tensione di questo singolo stadio a transistor.

L'induttanza a radiofrequenza (RFC) nel circuito del collettore agisce come un circuito aperto alla frequenza RF e impedisce all'energia RF di entrare nell'alimentatore. Il circuito del serbatoio è costituito da L ₁ , L ₂ e C. La frequenza delle oscillazioni è determinata dal valore di L ₁ , L ₂ e C ed è determinata dalle oscillazioni alla frequenza di risonanza del circuito del serbatoio LC. Questa frequenza di risonanza è espressa come

$$f_o = \frac{1}{2\pi \sqrt{L_TC}}$$

Il segnale di uscita può essere prelevato dal collettore mediante accoppiamento capacitivo, a condizione che il carico sia elevato e la frequenza di oscillazione non sia influenzata.

Piezoelettricità

Le proprietà piezoelettriche sono esibite da una serie di sostanze cristalline naturali, di cui le più importanti sono il quarzo, il sale di Rochelle e la tormalina. Quando una tensione sinusoidale viene applicata a questi materiali, vibrano alla frequenza della tensione applicata.

D'altra parte, quando questi materiali vengono compressi e sottoposti a sollecitazioni meccaniche per vibrare, producono una tensione sinusoidale equivalente. Pertanto, questi materiali sono chiamati cristalli piezoelettrici. Il quarzo è il cristallo piezoelettrico più popolare.

Oscillatore di cristallo

Lo schema del circuito dell'oscillatore a cristallo è mostrato nella figura seguente.

Il cristallo qui agisce come un circuito sintonizzato. Di seguito viene fornito il circuito equivalente di un cristallo.

Un oscillatore a cristallo ha due frequenze di risonanza: frequenza di risonanza in serie e frequenza di risonanza parallela.

Frequenza di risonanza in serie

$$f_s = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$$

Frequenza di risonanza parallela

$$f_p = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC_T}}$$

Le due frequenze di risonanza sono quasi le stesse, poiché C / Cm è molto piccolo. Nella figura sopra, il cristallo è collegato per funzionare in modalità risonante parallela.

I resistori R ₁ , R ₂ , R _E e il transistor insieme formano un circuito amplificatore. I resistori R ₁ e R ₂ forniscono una polarizzazione CC stabilizzata in tensione. Il condensatore (C _E ) fornisce il bypass AC del resistore dell'emettitore (R _E ) e l'RFC fornisce un'alta impedenza alla frequenza generata dall'oscillatore, in modo che non entrino nelle linee di alimentazione.

Il cristallo è in parallelo al condensatore C ₁ e C ₂ e permette la massima retroazione di tensione dal collettore all'emettitore, quando la sua impedenza è massima. Ad altre frequenze, l'impedenza del cristallo è bassa e quindi il feedback risultante è troppo piccolo per sostenere le oscillazioni. La frequenza dell'oscillatore è stabilizzata alla frequenza di risonanza parallela del cristallo.

Lo scopo fondamentale della rete di polarizzazione è stabilire le relazioni tra tensione collettore-base-emettitore e corrente nel punto operativo del circuito (il punto operativo è anche noto come punto di riposo, punto Q, punto di assenza di segnale, punto di inattività, o punto statico). Poiché i transistor raramente operano in questo punto Q, le reti di polarizzazione di base sono generalmente utilizzate come riferimento o punto di partenza per la progettazione.

La configurazione effettiva del circuito e, in particolare, i valori della rete di polarizzazione vengono selezionati sulla base delle condizioni dinamiche del circuito (oscillazione della tensione di uscita desiderata, livello del segnale di ingresso previsto, ecc.) Una volta stabilito il punto operativo desiderato, la funzione successiva della rete di polarizzazione è per stabilizzare il circuito dell'amplificatore a questo punto. La rete di polarizzazione di base deve mantenere le relazioni di corrente desiderate in presenza di variazioni di temperatura e alimentazione e possibile sostituzione del transistor.

In alcuni casi, anche le variazioni di frequenza e le variazioni causate dal componente devono essere compensate dalla rete di polarizzazione. Questo processo è generalmente indicato come stabilizzazione del bias. Una corretta stabilizzazione del bias manterrà il circuito dell'amplificatore al punto di funzionamento desiderato (entro limiti pratici) e impedirà la fuga termica.

Fattore di stabilità 'S'

È definita come la velocità di variazione della corrente del collettore rispetto alla corrente di saturazione inversa, mantenendo costanti β e V _BE . È espresso come

$$S = \frac{\mathrm{d}I_c }{\mathrm{d} I_c}$$

Metodi di stabilizzazione del bias

Il metodo per rendere il punto di lavoro indipendente dalle variazioni di temperatura o dalle variazioni dei parametri dei transistor è noto come stabilization. Esistono diversi schemi per fornire la stabilizzazione del bias degli amplificatori a stato solido. Tutti questi schemi comportano una forma di feedback negativo. Ovvero, qualsiasi stadio nelle correnti dei transistor produce una corrispondente variazione di tensione o corrente che tende a controbilanciare la variazione iniziale.

Esistono due metodi fondamentali per produrre feedback negativo, feedback a tensione inversa e feedback a corrente inversa.

Feedback a tensione inversa

La figura seguente mostra la rete di polarizzazione della tensione inversa di base. La giunzione emettitore-base è polarizzata in avanti dalla tensione alla giunzione di R ₁ e R ₂ . La giunzione base-collettore è polarizzata inversamente dal differenziale tra le tensioni al collettore e alla base.

Normalmente, il collettore di un amplificatore accoppiato a resistenza si trova ad una tensione circa la metà di quella del resistore di alimentazione (R ₃ ), collegato tra il collettore e la base. Poiché la tensione del collettore è positiva, una parte di questa tensione viene restituita alla base per supportare la polarizzazione diretta.

La polarizzazione diretta normale (o punto Q) sulla giunzione emettitore-base è il risultato di tutte le tensioni tra l'emettitore e la base. Come il collettore aumenta attuali, una caduta di tensione maggiore viene prodotto attraverso R _L . Di conseguenza, la tensione sul collettore diminuisce, riducendo il feedback di tensione alla base tramite R ₃ . Ciò riduce la polarizzazione diretta emettitore-base, riducendo la corrente dell'emettitore e abbassando la corrente del collettore al suo valore normale. Poiché si verifica una diminuzione iniziale della corrente del collettore, si verifica un'azione opposta e la corrente del collettore viene aumentata al suo valore normale (punto Q).

Qualsiasi forma di feedback negativo o inverso in un amplificatore ha la tendenza ad opporsi a tutti i cambiamenti, anche a quelli prodotti dal segnale che viene amplificato. Questo feedback inverso o negativo tende a ridurre e stabilizzare il guadagno, così come il cambiamento indesiderato. Questo principio di stabilizzazione del guadagno mediante feedback viene utilizzato in più o meno tutti i tipi di amplificatori.

Feedback corrente inversa

La figura seguente mostra una caratteristica rete di polarizzazione a corrente inversa (emettitore-feedback) che utilizza un transistor NPN. Il feedback di corrente è più comunemente utilizzato rispetto al feedback di tensione negli amplificatori a stato solido. Questo perché i transistor sono principalmente dispositivi azionati in corrente, piuttosto che dispositivi azionati in tensione.

L'uso di una resistenza emettitore-feedback in qualsiasi circuito di polarizzazione può essere riassunto come segue: La corrente di base dipende dal differenziale di tensione tra la base e l'emettitore. Se la tensione differenziale viene abbassata, fluirà meno corrente di base.

L'opposto è vero quando il differenziale è aumentato. Tutta la corrente scorre attraverso il collettore. La tensione scende attraverso la resistenza dell'emettitore e quindi non è completamente dipendente. All'aumentare della corrente del collettore, aumenteranno anche la corrente dell'emettitore e la caduta di tensione sul resistore dell'emettitore. Questo feedback negativo tende a diminuire il differenziale tra la base e l'emettitore, abbassando così la corrente di base. A sua volta, la corrente di base inferiore tende a diminuire la corrente del collettore e controbilanciare gli aumenti iniziali della corrente del collettore.

Compensazione di pregiudizi

Negli amplificatori a stato solido, quando la perdita di guadagno del segnale è intollerabile in una particolare applicazione, vengono spesso utilizzate tecniche di compensazione per ridurre la deriva del punto operativo. Al fine di fornire la massima polarizzazione e stabilizzazione termica, possono essere impiegati insieme metodi di compensazione e stabilizzazione.

La figura seguente mostra la tecnica di compensazione del diodo che utilizzava sia la compensazione del diodo che la stabilizzazione autobias. Se sia il diodo che il transistor sono dello stesso tipo, hanno lo stesso coefficiente di temperatura attraverso il circuito. Qui, il diodo è polarizzato in avanti. KVL per il circuito dato può essere espresso come -

$$I_c = \frac{\beta [V - (V_{BE} - V_o)] + (Rb + Rc)(\beta + 1)ICO}{Rb + Rc(1 + \beta)}$$

È chiaro dall'equazione precedente che $V_{BE}$ segue VO rispetto alla temperatura e Ic non avrà effetto alle variazioni di $V_{BE}$. Questo è un metodo efficace per prendersi cura del punto di funzionamento del transistor a causa della variazione in$V_{BE}$.

Dispositivo di compensazione della temperatura

Possiamo anche utilizzare un dispositivo sensibile alla temperatura per compensare le variazioni delle caratteristiche interne del transistor. Il termistore ha un coefficiente di temperatura negativo, il che significa che con l'aumento della temperatura, la sua resistenza diminuisce in modo esponenziale. La figura seguente mostra un circuito che utilizza un termistore (R _T ) per ridurre l'aumento della corrente del collettore dovuto al cambio di$V_{BE}$, ICO o β con la temperatura.

Quando la temperatura aumenta, R _T diminuisce e la corrente alimentata attraverso R _T in R _E aumenta. La caduta di tensione dell'azione su R _E è nella direzione opposta per invertire la polarizzazione del transistor. R _T agisce in modo da tendere a compensare l'aumento di IC, che aumenta per l'aumento della temperatura.

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