COMPONENTI ELETTRONICI

DIODITRANSISTORTRANSISTOR di potenza

SemiconduttoriI principali componenti elettronici si basano su semiconduttori (silicio o germanio) che hanno subito il trattamento del drogaggio. In tal caso si parla di semiconduttori di tipo p, dove sono presenti in maggioranza cariche positive, esattamente lacune. Si parla invece di semiconduttori di tipo n, quando il drogaggio determina la creazione di semiconduttori con maggioranza di cariche negative.

Dal numero di materiali semiconduttori usati si ottengono diversi tipi di componenti elettronici.

Diodo: costituito da due materiali semiconduttori, uno di tipo n e uno di tipo p.

Transistor: presenza di tre semiconduttori, disposti nel seguente ordine npn o pnp.

SCR: quattro semiconduttori presenti nel dispositivo.

“drogaggio”

drogaggio tipo “n” con un atomo pentavalente (fosforo): il donatore introduce un livello energetico Ed molto popolato poco sotto il fondo della banda di conduzione Ec

livello del donatore

donatore

livello dell’accettore

drogaggio tipo “p” con un atomo trivalente (Al): l’accettore introduce un livello energetico Ea molto popolato poco sopra la cima della banda di valenza Ev

accettore

conducibilità elettrica in un semiconduttore

drogato n

“n”

EF

livello del donatore

edn en

la conducibilità è dovuta praticamente solo alla densità nd dei donatori

(portatori di maggioranza)

con un drogaggio di tipo “n”

- gli elettroni introdotti dal donatore hanno altissima probabilità di passare alla banda di conduzione, per cui la densità numerica n degli elettroni nella banda di conduzione cresce moltissimo e diventa praticamente eguale a nd

- per la legge dell’azione di massa-, i portatori della banda di valenza si riducono in modo inversamente proporzionale: nd p = ni

2

drogaggio debole:Natomi donatori 10-8 Natomi semicond

Tipici drogaggi

drogaggio forte:Natomi donatori 10-6 Natomi semicond

DIODO (polarizzazione)Il diodo, il cui simbolo elettrico è rappresentato in basso, per la sua costituzione fisica, fornisce la possibilità di lasciar passare la corrente elettrica solo in una direzione. Si consideri infatti il circuito in figura, dove l’anodo del diodo è connesso al polo positivo dell’alimentazione. Si parla in questo caso di polarizzazione diretta del diodo, in quanto il diodo permette la circolazione della corrente (valore dell’ordine dei mA) nel verso indicato dal simbolo elettrico del diodo.

La conduzione del diodo avviene però normalmente dopo aver superato il valore di tensione detta di soglia Vs. Per valori di tensione applicata al diodo maggiore di Vs, il diodo entra in conduzione e la corrente cresce rapidamente (andamento esponenziale).

La tensione Vs dipende essenzialmente dal tipo di semiconduttore che costituisce il diodo.

DIODOSe nel circuito precedente si inverte la tensione di alimentazione o il diodo, si ottiene il circuito di polarizzazione inversa, con conseguente passaggio di una corrente di valore molto piccola (nell’ordine dei A), detta corrente di saturazione inversa Io.

Nella polarizzazione inversa assume notevole importanza la Vbr (tensione di breakdown), infatti per valori di tensione maggiori in valore assoluto della Vbr, il diodo si trova a lavorare con una tensione in grado di rompere i legami dei suoi atomi. In questa situazione si genera un numero elevato di elettroni (effetto a valanga) con generazione di un’elevata corrente che porta alla distruzione del diodo stesso.

Il diodo in grado di sostenere valori di tensioni pari alla Vbr è il diodo Zener, utilizzato come stabilizzatore di tensione.

DIODO (caratteristica reale)

I parametri di un diodo variano a secondo il modello ed è dipendente dalle case costruttrici. I dati vengono raccolti in quelli che si definiscono data sheet (foglio di dati).

V (V )

I (m A )

V

V b r I o

1 2 3 4(50 V )

( A )

DIODO (caratteristica reale)

Quelli che maggiormente ci interessano sono i seguenti:

- Vs tensione di soglia: valore di tensione diretta minimo per portare il diodo in conduzione;

- Vbr tensione di rottura o (breakdown): tensione per la quale si ha l’effetto di moltiplicazione degli elettroni, con conseguente fusione del diodo stesso;

- Id corrente diretta: corrente che si stabilisce in polarizzazione diretta. Valori sull’ordine di mA.

- Io corrente di saturazione inversa: corrente di valore bassissimo (ordine di A) che si stabilisce in polarizzazione inversa

- Vmi tensione inversa massima: si stabilisce ai capi del diodo, quando quest’ultimo si trova in stato di polarizzazione inversa

-Tj: temperatura della giunzione pn, che modifica la caratteristica reale del diodo

- Pmax: potenza massima dissipabile da parte dl diodo.

DIODO (elemento circuitale)Per poter risolvere un circuito elettrico in cui è presente un diodo, bisogna sostituire al diodo stesso dei componenti elettrici che simulino il comportamento. Solitamente sono tre le possibili configurazioni da poter sostituire al diodo all’interno di un circuito:-diodo ideale-diodo come batteria-diodo come serie di una batteria ed una resistenza

Nel primo caso (diodo ideale) il funzionamento del diodo è simulato da un interruttore. Infatti si trova nello stato chiuso quando il diodo è polarizzato direttamente. In tal caso la caduta di tensione sul diodo è praticamente nulla.

Al contrario quando il diodo è contropolarizzato si considera l’interruttore in stato aperto, con conseguente annullamento della corrente circolante nel circuito.

V

I

V

I

DIODO (elemento circuitale)Sostituendo al diodo in un circuito una batteria di f.e.m., la conduzione avviene solo quando la tensione applicata ai capi del diodo supera la tensione di soglia. In questo caso sul carico però non si stabilirà tutta la tensione in ingresso al circuito, ma un valore più basso dato dalla differenza tra Vi e la Vs. La caratteristica assume l’andamento di figura.

Nell’ultimo caso invece il diodo viene sostituito dalla serie di una batteria di f.e.m. ed una resistenza. La f.e.m. sarà di valore uguale alla tensione di soglia, mentre la resistenza viene detta differenziale rd rappresenta, in modo lineare, l’andamento della caratteristica reale quando il diodo è polarizzato direttamente.

V

I

Vs

V

I

Vs

rd

Un diodo, quindi, è un conduttore unidirezionale (da p a n). La sua funzione è quella di tagliare la corrente in verso opposto (raddrizzare).

simbolo circuitale del diodo

Applicazioni particolari:

Fotodiodo; LED (Light Emitting Diode); Laser a semiconduttore

IL DIODO LED

Un diodo LED (Light Emitting Diode) è un particolare diodo che emette radiazioni luminose quando è attraversato da corrente.

Il simbolo elettrico è il seguente ANODO

CATODO

La lunghezza d’onda della radiazione emessa dipende dal materiale con il quale il diodo LED viene realizzato.  I diodi LED vengono impiegati quali elementi di segnalazione visiva. Se vengono assemblati in opportune configurazioni geometriche consentono di realizzare sistemi di visualizzazione più sofisticati (display a sette segmenti, a matrice)

DIODO ledL’effetto di elettroluminescenza nella giunzione si ha quando si produce una ricombinazione fra una lacuna e un elettrone, effetto accompagnato da una radiazione elettromagnetica sviluppata dalla energia liberata durante questo fenomeno, (nei semiconduttori comuni questa radiazione non esiste e l’energia si trasforma sottoforma di calore). La frequenza della radiazione dipende dal materiale utilizzato nella giunzione P-N, al fine di ottenere diversi colori.

L’efficienza della radiazione luminosa dipende dalla corrente che attraversa il LED, dall’area, dalla geometria della giunzione, dalle dimensioni del contatto elettrico, dalla trasparenza od opacità del substrato.

Quello rappresentato in figura è la versione standard, di forma sferica, anche se ve ne sono di forma rettangolare o prismatica; i terminali si possono distinguere: l’Anodo è quello piu’ lungo, l’altro è il Catodo; nelle vicinanze di quest’ultimo è riportata una tacca, zona appiattita, altro riferimento.

DIODO Alla luce di quanto esposto in precedenza si può definire un diodo come un elemento circuitale comandato dalla tensione. Infatti quando la tensione applicata al diodo supera un determinato valore, variabile a secondo la caratteristica considerata, si permette la circolazione della corrente nel circuito e di conseguenza si ottiene una d.d.p. ai capi del carico. Si ricorda che la conduzione avviene sempre quando la tensione ai capi del diodo cambia polarità, quindi non si può controllare in nessun modo se non agendo sul segnale in ingresso al circuito.

IL TRANSISTOR

Il transistor sfrutta le particolari caratteristiche della giunzione a semiconduttore. Nel transistor, le giunzioni sono due e sono ottenute accostando materiale N ad due P oppure materiale P a due N.  Le tipologie di transistor sono dunque due: N-P-N e P-N-P.Il funzionamento delle due tipologie di transistor è pressoché identico, semplicemente nel primo si parla di circolazione di elettroni e nel secondo di lacune. Transistor NPN Transistor PNP Per spiegare il funzionamento del transistor occorre prima fare qualche precisazione. In particolare è necessario che lo spessore del materiale che sta in mezzo agli altri due (il materiale P nel caso dell'NPN e N nel caso del PNP) abbia particolari caratteristiche. Più precisamente il suo spessore deve essere minore della distanza media di diffusione delle cariche presenti nel semiconduttore, ovvero quella distanza media entro la quale una carica libera si ricombinerà con una di carica opposta. Per semplificare di molto potremmo concepire questa distanza come lo spostamento MINIMO che una carica in movimento nel semiconduttore DEVE ESEGUIRE ogni volta che si sposta. Il materiale posto al centro della giunzione prende il nome di BASE. Uno degli altri due materiali agli estremi verrà drogato in maniera molto più massiccia dell'altro e prenderà il nome di EMITTORE. Il restante materiale prenderà il nome di COLLETTORE. L'emettitore, molto drogato, dispone dunque di parecchi portatori in eccesso che potranno spostarsi nel materiale ed attraverso le giunzioni.

IL TRANSISTOR BJT

EMETTITORE BASE COLLETTORE

EMETTITORE BASE COLLETTORE

Nel dispositivo sono presenti due giunzioni base-emettitore base collettore. La regione di base è molto sottile e molto meno drogata rispetto alle regioni di emettitore e di collettore.

IL TRANSISTOR BJT

Un transistor bipolare è costituito da tre regioni adiacenti di materiale semiconduttore drogate alternativamente n e p. La regione centrale si chiama base, le altre due emettitore e collettore. Possiamo avere due tipi di transistor bipolari: npn e pnp.

Il simbolo elettrico è il seguente

ZONE DI FUNZIONAMENTO DEL BJT

La polarizzazione delle due giunzioni presenti nel dispositivo determina la sua zona di funzionamento

In particolare

 

Se le due giunzioni sono entrambe polarizzate inversamente il transistor lavora nella zona di interdizione.

 

Se le due giunzioni sono entrambe polarizzate direttamente il transistor lavora nella zona di saturazione.

 

Se la giunzione base-emettitore è polarizzata direttamente e la giunzione base collettore è polarizzata inversamente il transistor lavora in regione attiva o lineare.

ZONE DI FUNZIONAMENTO DEL BJT

Per un dispositivo di tipo npn le definizioni precedenti si traducono nella verifica delle seguenti disequazioni

 

INTERDIZIONE VBE < 0 VCE > VBE

SATURAZIONE VBE > 0 VCE < VBE

REGIONE ATTIVAVBE > 0 VCE > VBE

Per un dispositivo pnp le disequazioni precedenti si invertono

IL BJT COME INTERRUTTORE

Il modello più semplice per rappresentare il comportamento di un transistor nelle zone di interdizione e saturazione consiste nel considerare

  Il BJT in interdizione equivalente ad un interruttore aperto (circuito aperto)

Il BJT in saturazione equivalente ad un interruttore chiuso (corto circuito)

IL BJT COME INTERRUTTORE

In molteplici applicazioni il transistor BJT viene utilizzato in commutazione tra la zona di interdizione e quella di saturazione. In questo caso il suo comportamento è quello di un interruttore elettronico, in cui il percorso collettore emettitore del transistor può essere considerato equivalente ad un interruttore il cui funzionamento è controllato dal morsetto di base

IL BJT COME INTERRUTTORE

schema della polarizzazione

MODO GIUNZIONE GIUNZIONE

BC BEInterdizione Inversa Inversa(non c’è passaggio di Corrente)

Zona Attiva Diretta diretta inversaSaturazione diretta diretta

Analizziamo la zona attiva:Nella zona attiva il transistor è polarizzato in modo che la giunzione BE è diretta la giunzione BC è inversa. Si avrà una forte corrente da C verso E e una debole corrente da B verso E.Analizziamo la zona di saturazione:Nella zona di saturazione si ha la polarizzazione BE e BC dirette. La corrente Ic varia molto rapidamente al variare di Vce e quest’ultima varia tra 0.1V0÷2V.Analizziamo la zona di interdizione:Nella zona di interdizione non vi è corrente di uscita e ciò avviene quando Ib=0.Le relazioni che legano fra di loro le correnti del transistor sono:Ic=∂*IeIe=Ib/1-∂Ib=(1-∂)*IeIc>Ie coefficiente di amplificazioneIc<Ie coefficiente di attenuazioneInoltre queste relazioni possono essere scritte in funzione di β=Ic/Ib=∂/1-∂, in saturazione Ic< β*Ib.Corrente di uscita:Vcc=Rc*Ic+Vce Ic=Vcc-Vce/RcCorrente di ingresso:Vbb=Rb*Ib+Vbe Ib=Vbb-Vbe/Rb

IL BJT COME AMPLIFICATORE

In regione attiva il BJT può funzionare come amplificatore di segnale

Si definisce amplificazione di tensione il rapporto fra la tensione di uscita Vout e la tensione di ingresso Vin del dispositivo

Si definisce amplificazione di corrente il rapporto fra la corrente di uscita Iout e la corrente di ingresso Iin del dispositivo

Si definisce amplificazione di potenza il rapporto fra la potenza di uscita Pout e la potenza di ingresso Pin del dispositivo

POLARIZZAZIONE Per poter funzionare il transistor deve venir polarizzato in maniera univoca. Più precisamente

dovremmo polarizzare direttamente la giunzione Base-Emettitore ed inversamente la giunzione Base-Collettore. E' altresì necessario che la giunzione Base-Collettore sia polarizzata ad un livello di tensione molto più elevato (almeno 3..4 volte) di quella Base-Emettitore. Analizziamo ora il comportamento del

transistor in queste condizioni. Dal momento che la giunzione B-E è polarizzata direttamente avremo che un notevole flusso di cariche cercherà di ricongiungersi in base, partendo dall'emettitore che, fortemente drogato, può fornirne in discreto numero. Dal momento che, però, lo spessore della base è inferiore alla distanza media di percorrenza delle cariche, molte di queste cariche tenderanno a 'saltare' letteralmente la base per ricongiungersi direttamente nel collettore, polarizzato oltretutto ad un livello maggiore della

base e, dunque, in grado di attirarle con maggior efficacia. In termini pratici otteniamo che solo una piccola percentuale delle cariche 'espulse' dall' Emettitore riusciranno a ricombinarsi in base, mentre la

maggior parte di esse lo farà nel collettore. Il rapporto tra le due correnti (la corrente tra Emettitore collettore e quella tra emettitore e base) prende il nome di guadagno in corrente del transistor o beta.

Questo numero si mantiene 'abbastanza' lineare entro una discreta gamma di correnti e indica in ultima analisi il fattore di amplificazione di corrente del transistor. Già, perchè la forza del transistor è proprio

quella di 'amplificare' la corrente di base x beta volte nel collettore. Con una piccola variazione della corrente di base otteniamo dunque una grande variazione di quella di collettore. Polarizzazione tipica di

un transistor NPN. Nel caso di PNP la freccia interna dell'emettitore è rivolta verso l'interno e l'alimentazione ha i poli invertiti. Polarizzazione tipica di un transistor NPN. Nel caso di PNP la freccia

interna dell'emettitore è rivolta verso l'interno e l'alimentazione ha i poli invertiti.

TRANSISTOR di potenzaLa costituzione di un transistor si basa sui

semiconduttori di tipo p ed n, ma a differenza del diodo gli strati presenti sono tre. Di lato sono riprodotti sia la costituzione interna (struttura utilizzata didatticamente) sia il simbolo dl transistor.

Si può osservare la presenza di tre morsetti, collegati ad altrettanti strati di semiconduttore.

Il morsetto indicato con la lettera C, viene detto di collettore, mentre B sta per base ed infine la E indica il morsetto emettitore.Si analizzerà il comportamento da commutatore di stati o interruttore del transistor, infatti il componente elettronico in esame trova applicazione nei circuiti di regolazione della velocità di motori proprio per la sua elevata rapidità di commutazione.

TRANSISTOR di potenzaLa commutazione tra i due stati di funzionamento (ON-OFF) viene comandata dalla corrente di base IB. Si può paragonare il transistor ad una valvola la cui apertura viene dettata dalla IB. In conseguenza di ciò si ottengono più curve caratteristiche, che vedono in relazione la corrente di collettore Ic con la tensione Vce

Nel grafico delle caratteristiche si individuano tre zone:-zona attiva: funzionamento da amplificatore-zona di saturazione: funzionamento da interruttore chiuso-zona di interdizione: funzionamento da interruttore aperto

TRANSISTOR di potenzaIl funzionamento da amplificatore verrà trattato brevemente, evidenziando

la relazione esistente tra la corrente di base Ib e la corrente di collettore Ic, che sarà fornita al carico. Generalmente la Ib presenta valori dell’ordine dei A, mentre la Ic avrà valori dell’ordine di mA. Ciò vuol dire un’amplificazione di corrente da parte del transistor di valore compreso tra i 100 i 1000. Dalle curve caratteristiche si può comprendere quanto detto in precedenza, dove si è paragonato il transistor ad una valvola, infatti all’aumentare della Ib conseguentemente si registra anche un aumento della Ic.

Se la Ib si abbassa ad un valor prossimo a zero si registra un diminuzione anche della Ic, tale da non far circolar corrente tra i morsetti di collettore ed emettitore e quindi aprire il transitor stesso. Si è praticamente portato il transistor a lavorare in interdizione, cioè da interruttore aperto.

TRANSISTOR di potenzaPer portare invece il transistor in zona di saturazione, comportamento da

interruttore chiuso, bisogna fornire una tensione al circuito di base tal da rispettare la seguente relazione:

dove, oltre già conosciute Ib ed Ic, è presente il valore hfe parametro costruttivo del transistor.

feh

IcIb

Negli stati di funzionamento da interruttore, il transistor ha comunque piccole perdite di potenza.

Esistono in commercio transistor che presentano valori di corrente elevate (500A), ma basse tensioni oppure transistor con elevate tensioni di breakdown (3000V) e correnti di qualche decine di ampere.