I semiconduttori - la base dell'elettronica (2)

-

Definizione di semiconduttori 

A partire da una classificazione sulla base della conducibilità elettrica, i semiconduttori sono una classe di materiali caratterizzati da una conducibilità elettrica intermedia tra quella degli isolanti e quella dei conduttori. L’impiego in ambito elettronico di questa tipologia di materiali è legata ad alcune peculiarità:

  1. Regolazione della corrente: la conducibilità dei semiconduttori può essere facilmente controllata, consentendo il passaggio selettivo di corrente elettrica attraverso di essi.
  2. Miniaturizzazione: i semiconduttori possono essere fabbricati in dimensioni molto piccole, consentendo la creazione di dispositivi elettronici sempre più compatti e potenti.
  3. Velocità di commutazione: i semiconduttori hanno una velocità di commutazione molto elevata, il che significa che possono accendersi e spegnersi molto rapidamente. Questa caratteristica è fondamentale per l'operazione dei circuiti digitali ad alta velocità, come quelli utilizzati nei computer e nei dispositivi di comunicazione.

Differenza tra conduttori, semiconduttori e isolanti - energia degli elettroni

La grandezza di interesse, dalla quale si classificano le tre classi di materiali, si definisce conducibilità,  e si misura in Siemens su metro S/m. Fisicamente rappresenta quanta densità di corrente può scorrere se un determinato materiale viene posto a un campo elettrico. In un'ottica del tutto qualitativa, si può affermare che i semiconduttori presentano una conducibilità intermedia tra quella dei conduttori (tendenzialmente molto alta) e quella degli isolanti (tendenzialmente vicina allo zero).

Ogni elettrone, secondo il modello di Bohr, ruota con una velocità v attorno al nucleo. Questo comporta che ognuno di essi possiede una energia cinetica K pari al semiprodotto tra la propria massa e il quadrato della velocità. Secondo il Principio di Esclusione di Pauli, poi, l'energia è una quantità discreta e ogni elettrone può occupare al più un solo livello energetico. I livelli sono raffigurati nel diagramma in figura 1 a sinistra, e ogni livello può accogliere due elettroni con diverso spin. In condizioni di Zero Assoluto (0 K) gli elettroni occupano tutti i livelli al di sotto del Livello di Fermi E che rappresenta una sorta di livello di "barriera". 

Figura 1: livelli energetici in un atomo (sinistra), una coppia di atomi (centro) e bande energetiche in un cristallo di materiale (destra).

Dopo il legame tra una coppia di atomi, i livelli energetici raddoppiano e discostano dalla loro posizione originaria, come mostra la figura 1 centrale, per effetto delle forze intermolecolari tra gli elettroni. Aumentando di gran lunga il numero di atomi, fino a ottenere un cristallo di un certo elemento, le forze intermolecolari aumentano e si ottengono una serie di livelli energetici diversi ma molto ravvicinati, come mostrato in figura 1 a destra. 

Si parla in questo caso di bande energetiche e sono a loro volta separate da bande proibite. La banda sottostante al livello energetico di Fermi si definisce banda di valenza, quella al di sopra, invece, si definisce banda di conduzione. La banda proibita che separa la banda di valenza e banda di conduzione si definisce Energy Gap EG e definisce la quantità di energia necessaria affinché un elettrone e, più in generale, un cristallo di materiale passi allo stato di conduzione elettrica. 

Sulla base dell'ampiezza dell'energy gap si definisce la conducibilità di un materiale, come mostra la figura 2:

Figura 2: Diagramma a bande delle tre tipologie di materiali.

I conduttori hanno un energy gap di piccola ampiezza tale da consentire a un materiale di passare in conduzione con una piccola quantità di energia. Gli isolanti, al contrario, avrebbero necessità di una forte energia affinché conducano corrente. I semiconduttori, a prova di quello dichiarato in alto al paragrafo, hanno un energy gap di ampiezza intermedia tra i conduttori e gli isolanti.

Commenti

Posta un commento

Post popolari in questo blog

Conversione analogico - digitale (ADC) e digitale - analogico (DAC) con amplificatori operazionali

-
Immagine
Convertitore Analogico - Digitale (ADC)  La conversione di un segnale da analogico a digitale (figura 1) può essere effettuata con diverse tipologie di architettura, intesa come sistema di interconnessioni tra componenti elettrici. Figura 1: schema ADC. Si supponga di avere un sensore che capti una grandezza fisica e la mandi in uscita come segnale di tensione . L'intervallo di valori di tensione che può assumere è limitato e il massimo valore si definisce fondo-scala . Il numero di bit con cui si vuole rappresentare in digitale un segnale analogico è definita risoluzion e. Conversione con risoluzione 1 bit Il caso più semplice di conversione da analogico a digitale è il convertitore a un bit di risoluzione. Il segnale analogico in ingresso può assumere qualsiasi valore tra zero e il valore di tensione di fondo-scala . Su un grafico tensione-tensione, è una semplice retta. Il margine di riferimento si ottiene dividendo a metà il valore di fondo-scala. Si effettua una quantizzazione...
Continua a leggere

Tempo di propagazione nella logica pass-transistor - legge di Elmore (39)

-
Immagine
 La logica a pass-transistor consente di realizzare porte logiche con un numero ridotto di transistori MOS. Come è stato visto per una catena di porte logiche in CMOS , si analizza ora il tempo necessario che un segnale impiega ad attraversare una catena di pass-transistors (figura 1), con le dovute approssimazioni. Figura 1: catena di pass-transistors.   Per effettuare l'analisi, in ingresso viene mandato un segnale a gradino che all'istante t = 0 passa istantaneamente da 0 a V DD . Dalla definizione di pass-transistor , l'uscita passa dal valore basso al valore alto in un dato intervallo di tempo, come mostrato nei grafici in figura 2. Figura 2: andamento della tensione d'ingresso e di uscita in una catena di pass-transistors. Il segnale alto all'ingresso e ai capi del gate di ogni transistore comporta che tra drain e source scorre una corrente che dipende dalla tensione V DS non linearmente.  Nel calcolo del tempo di propagazione, tuttavia, si farà uso di una ...
Continua a leggere

Modello di Ebers & Moll delle correnti nel BJT - Guadagni di corrente (15)

-
Immagine
 Il flusso delle correnti in un transistore bipolare a giunzione, che si tratti di un npn o pnp, è descritto dal modello di Ebers & Moll. Per il calcolo delle correnti, è necessario il modello a coppia di diodi, come mostrato in figura 1. Figura 1: circuito equivalente per bjt npn. Nel modello è stato inserito un generatore di corrente pilotato in tensione I t che rappresenta la corrente di effetto transistore. In questo contesto, i diodi sono regolati dalla legge esponenziale che lega la corrente sche scorre al loro interno con le tensioni applicate: Osservando i versi delle correnti e la legge al nodo, I E = I B + I C , si ottengono le espressioni delle correnti in funzione delle tensioni: Le tre funzioni appena ottenute sono le equazioni del modello di Ebers & Moll.   Nella realtà, solo due di queste sono di interesse: IB e IC. Essendo funzioni in due variabili, si sceglie di trattare, al fine di semplificare i calcoli, una delle due variabili come costante. I B...
Continua a leggere