.. meta:: :language: it :description language=it: Embedded Systems Architecture: Semiconduttori :description language=en: Embedded Systems Architecture: Semiconductors :keywords: Embedded Systems Architecture, Semiconductors :author: Luciano De Falco Alfano Semiconduttori ======================================== .. contents:: :local: In elettronica si distinguono i materiali come: * conduttori (es.: alluminio, ottone, rame, acciaio), con valori di resistività dell'ordine di :math:`10^{-8} \quad \Omega m`; * semiconduttori (silicio, germanio), resistività da 0.5 a :math:`10^{3} \quad \Omega m`, * isolanti (es.: vetro, mica, PVC, gomma), resistività :math:`\geq 10^{10} \quad \Omega m`. Diodi ----------------------------------- La seguente immagine [#]_ riporta la curva tensione-corrente caratteristica di un diodo: .. image:: ./images/Diode-IV-Curve.svg Il primo quadrante rappresenta la **condizione di polarizzazione diretta** (*forward bias condition*). Per voltaggi inferiori alla barriera di potenziale :math:`V_d` la corrente è estremamente bassa. Mentre superando :math:`V_d` si ha praticamente una conduzione totale (cortocircuito). Il terzo quadrante indica la condizione di polarizzazione inversa. Applicando tensioni negative si ha una bassissima corrente finché non si supera la tensione di breakdown (:math:`V_{br}`), oltre la quale si ha nuovamente un cortocircuito. In pratica si ha il comportamento di un interruttore. Con la differenza che viene comandato elettricamente invece che meccanicamente. I diodi zener possono operare in polarizzazione inversa, permettendo così di stabilizzare una tensione a valori voluti. Ad es. 5 V. I due terminali del diodo sono: * **anodo** (*A*), positivo; * e **catodo** (*K*), negativo. In ppolarizzazione diretta, l'anodo è positivo rispetto il catodo, e si ha presenza di corrente dal catodo all'anodo. Quando l'anodo è negativo rispetto il catodo, si ha polarizzazione inversa. In tale condizione usualmente non vi è corrente. Come modello ideale di un diodo si adotta uno switch. Un modello più realistico prevede la barriera di potenziale a circa 0.7 V (per il silicio) inserendo un generatore di tensione inversa rispetto il generatore esterno. Un modello completo inserisce anche una piccola resistenza in serie ad interruttore chiuso, e una grande in parallelo ad interruttore aperto. Raddrizzatore a semionda ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ Un diodo in serie a una resistenza implementa un raddrizzatore a semionda (*half-wave rectifier*). Se si collega un generatore sinusoidale di tensione, come indicato qui sotto, .. image:: ./images/half-wave_rectifier.svg quando il generatore polarizza direttamente il diodo, questo cortocircuita facendo passare la tensione [#]_; mentre quando il generatore polarizza inversamente il diodo, questo blocca la tensione. Il risultato in uscita è la semionda positiva del generatore. Quella negativa viene eliminata. Se :math:`V_{p(out)} = V_{p(in)} - 0.7 V` [#]_ è la tensione di picco in uscita dal diodo, la tensione media in uscita è data da: .. math:: V_{AVG} = \frac{V_{p(out)}}{\pi} Raddrizzatore a doppia semionda ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ Un gruppo di diodi collegati in modo opportuno può realizzare l'inversione della polarizzazione di un segnale di tensione, ottenendo così un raddrizzatore a doppia semionda (*full wave rectifier*). In questo caso il valore medio della tensione in uscita è il doppio di quello del raddrizzatore a semionda: .. math:: V_{AVG} = \frac{2 \cdot V_{p(out)}}{\pi} = 0.637 \cdot V_{p(out)} Nel caso più semplice, si utilizza un **trasformatore ad inversione di fase** (*centered-tapped tranformer*), che ha il seguente schema di funzionamento: .. image:: ./images/center-tapped_transformer.svg Se alle uscite secondarie di un trasformatore siffatto si pongono due diodi, questi si troveranno a cortocircuitare ognuno la metà positiva del proprio segnale. Ricomponendo le uscite, si ottiene un segnale raddrizzato sia nel positivo che nel negativo. Altrimenti si può ricorrere al **raddrizzatore a ponte** (*full-wave bridge rectifier*, o *Windstone bridge*). Questo consiste in quattro diodi: due coppie in parallelo, con ogni coppia collegata in serie: .. image:: ./images/full-wave_bridge_rectifier.svg In questo schema si sosserva che quando al ponte arriva una tensione positiva, la coppia di diodi :math:`D_1` e :math:`D_3` sono polarizzati in modo diretto, mentre :math:`D_2` e :math:`D_4` sono polarizzati in modalità inversa (circuito aperto). Quindi :math:`D_1` cortocircuita verso la resistenza di carico, mentre :math:`D_3` apre verso la sua massa. In tal modo la corrente può fluire da :math:`M_1` ad :math:`M_2` passando per l'avvolgimento secondario. Quando la tensione dal secondario è negativa, lo stato di diodi si inverte rispetto quanto precedentemente descritto. Ora sono :math:`D_2` e :math:`D_4` ad essere polarizzati direttamente. E la corrente può fluire da :math:`M_2` a :math:`M_1` attraverso il secondario. Diodo Zener -------------- Con i diodi Zener, è normale lavorare nella regione a polarizzazone inversa, per stabilizzare un potenziale su valori ben definiti. Diodo LED --------------- I LED (*Light Emitting Diode*) usano l'effetto di elettroluminescenza per rilasciare energia in forma di calore e **luce** quando sono polarizzati in modo diretto (*forward bias*). L'energia emessa è proporzionale all'intenstà della corrente. Esistono LED in grado di emettere luce coerente (LASER). Fotodiodo -------------- Un fotodiodo è sensibile alla presenza di luce, ed opera in polarizzazione inversa (*reverse bias*). In oscurità un fotodiodo in reverse bias emette corrente di intensità trascurabile (*dark current*). Via via che l'illuminazione aumenta, aumenta la corrente inversa. La relazione tra irraggiamento luminoso (:math:`mW / cm^2`) e corrente inversa (:math:`I_{\lambda}`) è quasi lineare. ------------------------ .. [#] Grafico da Wikimedia Commons, concesso con licenza `GNU Free Documentation License `_. .. [#] A meno del generatore interno di tensione del diodo. .. [#] Nel caso del silicio, 0.7 V è la barriera di potenziale :math:`V_d`. I diodi al germanio hanno :math:`V_d \approx 0.5 \; V`.