I SEMICONDUTTORI I semiconduttori sono materiali che hanno una resistenza intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Essi sono alla base di tutti i principali dispositivi elettronici a stato solido quali i transistor, i diodi e i diodi ad emissione luminosa (LED).
Le proprietà dei semiconduttori diventano interessanti se vengono opportunamente drogati con impurità. Il semiconduttore più utilizzato in elettronica è il Silicio che è il componente fondamentale della sabbia e della roccia. Per poterlo utilizzare in elettronica deve essere purificato al 99,99% in appositi forni. Il silicio è un elemento chimico composto di 24 protoni (+) e 24 elettroni e quindi è elettricamente neutro. Per semplificare la sua struttura viene rappresentato con i suoi 4 elettroni esterni detti di valenza (cioè importanti per la conduzione elettrica). Nella figura seguente è rappresentata la struttura cristallina di silicio con i 4 elettroni di valenza per ogni atomo, i quali garantiscono la rigidità della struttura nello spazio. A temperatura ambiente solo pochissimi elettroni hanno energia tale da poter staccarsi dal proprio atomo, per cui la conducibilità del Silicio è praticamente nulla e quindi è praticamente non utilizzabile. È per questo che si ricorre al “drogaggio” del semiconduttore.
Ad esempio inserendo nel Silicio degli atomi di fosforo (P) si ottengono degli elettroni liberi aumentando la conducibilità elettrica: in questo caso si dice che il Silicio è drogato di tipo N in quanto ha una buona quantità di elettroni (cariche Negative) liberi.
Se invece inseriamo nel Silicio degli atomi di Boro (B) o Alluminio si ottengono delle cariche positive libere aumentando la conducibilità elettrica: in questo caso si dice che il Silicio è drogato di tipo P in quanto ha una buona quantità di cariche Positive libere.
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IL DIODO Se uniamo un piccolissimo blocchetto di Silicio drogato di tipo P ad un blocchetto di Silicio drogato di tipo N, otteniamo un diodo: I segni + indicano le cariche positive libere, mentre i segni – indicano le cariche negative libere (elettroni) rispettivamente nel Silicio P e nel Silicio N. La zona drogata P ha il piedino chiamato Anodo (A), mentre la zona drogata N ha il piedino chiamato Katodo (K). La linea verticale di separazione delle due zone viene chiamata giunzione. Qui a fianco è disegnato il corrispondente simbolo elettronico e sotto un diodo reale in cui la fascetta argentata indica il Katodo.
POLARIZZAZIONE DIRETTA DEL DIODO
Nella polarizzazione diretta (+ della pila all’Anodo (+) del diodo) le cariche + libere della zona P vengono spinte verso l’interno del diodo dalle cariche + del morsetto positivo della pila V; inoltre le cariche libere della zona N vengono spinte verso l’interno del diodo dalle cariche - del morsetto negative della pila. Le cariche + e – una volta superata la giunzione (parte centrale del diodo) vengono attirate dal 2
morsetto con polarità opposta rispetto alla carica libera; infatti le cariche opposte si attraggono mentre quelle uguali si respingono. Avremo quindi una corrente (sia di cariche + che -) all’interno del diodo: quindi il diodo polarizzato direttamente (+ all’Anodo e – al Katodo) si comporta come un interruttore chiuso Schematizzando:
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POLARIZZAZIONE INVERSA DEL DIODO
Nella polarizzazione inversa (con il + al katodo (–) del diodo) le cariche negative vengono attirate dal morsetto positivo della pila, le cariche positive vengono attirate del morsetto negativo della pila e si crea così, una zona di svuotamento (mancanza di cariche) nella parte centrale del diodo. Quindi, in polarizzazione inversa (+ al Katodo e – all’Anodo) il diodo si comporta come un interruttore aperto
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Schematizzando:
CURVA CARATTERISTICA DEL DIODO È la curva che esprime con una certa tensione applicata tra A e K, quale sarà la corrente che scorre nel diodo. Esiste una curva di polarizzazione diretta e una curva di polarizzazione inversa.
Come si può notare nella polarizzazione diretta (+ all’Anodo e – al Katodo), il diodo non conduce finchè non si supera la tensione di soglia Vs che vale circa 0,55V; dopo tale tensione il diodo si comporta come un interruttore chiuso lasciando passare liberamente la corrente. Nella polarizzazione inversa (+ al Katodo e – all’Anodo) il diodo si comporta come un interruttore aperto bloccando la corrente. Solamente se si supera la V max inversa (dell’ordine delle centinaia di V) il diodo conduce bruscamente, distruggendosi per la grande potenza dissipata (sovratemperatura). La curva può essere ricavata utilizzando un circuito simile al seguente in cui la pila è regolabile in V:
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Caratteristiche di alcuni diodi Tensione massima inversa 50 V 100 V 200 V 400 V 600 V 800 V 1000 V 100 V 400 V
APPLICAZIONE DEI DIODI: CIRCUITI RADDRIZZATORI La tensione che esce dal trasformatore non può alimentare un apparecchio elettronico fatto per funzionare con delle pile; mentre le pile hanno infatti una tensione continua, la tensione che esce dal trasformatore è ancora una tensione alternata, il che vuol dire che cambia di polarità continuamente (per l'esattezza: 50 volte al secondo). Occorre allora "raddrizzare" tale tensione, per ottenere che all'utilizzatore arrivi una tensione con polarità fissa. Il diodo svolge perfettamente questa funzione in quanto lascia passare la corrente in un solo senso. 1) Raddrizzatore a 1 semionda
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Nella semionda positiva di Vin (in è l’abbreviazione di input = ingresso) il diodo si trova con + all’Anodo e – al Katodo (attraverso la R) e quindi è polarizzato direttamente; si comporta come un interruttore chiuso portando tutta la Vin sull’utilizzatore R. Nella semionda negativa d’ingresso la polarità è opposta e quindi arriva un – al Katodo e + all’anodo: il diodo è polarizzato inversamente e si comporta come un interruttore aperto bloccando la Vin. In uscita (out) la V è 0 (zero). La Vout è sempre positiva (non va mai negativa) però non è continua e stabile come quella di una pila: la Vout si definisce unidirezionale pulsante.
2)Raddrizzatore a doppia semionda a ponte di diodi (di Greatz)
Nella semionda positiva di Vin (+ nel morsetto in alto e – nel morsetto in basso) viene polarizzato direttamente il D2 (+ all’Anodo) e il D4 (- al Katodo) i quali si comportano come due interruttori chiusi. I diodi D1 e D3 sono polarizzati inversamente per cui si comportano come interruttori aperti (è come non ci fossero). Il circuito si presenta allora così:
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e la corrente I scorre su D2, il carico R e il D4, con una polarità + in alto e – in basso. Nella semionda negativa di Vin (- nel morsetto in alto e + nel morsetto in basso) viene polarizzato direttamente il D3 (+ all’Anodo) e il D1 (- al Katodo) i quali si comportano come due interruttori chiusi. I diodi D2 e D4 sono polarizzati inversamente per cui si comportano come interruttori aperti (è come non ci fossero). Il circuito si presenta allora così:
e la corrente I scorre su D3, il carico R e il D1, sempre con una polarità + in alto e – in basso. Le forme d’onda della Vin e Vout risultano allora come nella figura seguente nella quale si nota che la Vout è sempre positiva (non va mai negativa) e le semionde che in ingresso erano negative le ritroviamo in uscita raddrizzate e quindi positive.
La Vout non è ancora continua e stabile come quella di una pila ma è meno intermittente rispetto al raddrizzatore a 1 solo diodo: la Vout si definisce ancora unidirezionale pulsante.
FILTRO DI LIVELLAMENTO Abbiamo visto che all'uscita dei raddrizzatori la tensione è unidirezionale pulsante e quindi non adatta ad alimentare circuiti elettronici. Per renderla più stabile (e quindi non con variazioni ad es. da 0 a + 15V) ma molto più piccole, dobbiamo “livellarla” cioè renderla quasi costante (ad es. da +13 a +15V). Per livellare la V unidirezionale pulsante si devono usare dei filtri (i quali portano a massa la variazione di V) rendendo quasi costante la Vout. Il tipico filtro di livellamento è costituito da un condensatore C di elevata capacità (condensatore elettrolitico) collegato dopo il raddrizzatore a ponte di Greatz e cioè in parallelo al carico R (utilizzatore).
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Il condensatore è un serbatoio di cariche e quindi quando gli diamo V si carica accumulando cariche + al piedino al quale arriva il + e cariche negative all’altro piedino. Un condensatore così caricato può dare V e quindi corrente a un utilizzatore per un tempo di circa un secondo (è come una pila ricaricabile di piccola capacità). Quindi quando è collegato dopo il ponte di diodi e la tensione di uscita al ponte di Greatz sale al massimo (onda tratteggiata), il condensatore si carica ad esempio a 20V . Quando la tensione dopo il ponte di Greatz comincia a scendere (scende più velocemente rispetto a quella del condensatore) sarà il condensatore C che fornisce corrente al carico e quindi si scarica lentamente. Dopo 10 ms il condensatore viene ricaricato alla V massima e poi rifornirà corrente al carico. Il ciclo quindi continua a ripetersi. Per scegliere il valore del condensatore: 2000 uF (microFarad) ogni ampere della della corrente di uscita massima. Ad esempio se l’alimentatore fornirà una corrente di uscita massima di 2A dovrò inserire un C di filtro di circa 4000 uF.
Infine presentiamo lo schema a blocchi di un ALIMENTATORE che è costituito dai 3 seguenti blocchi e che partendo dalla V di linea 230V alternata fornirà una V di uscita continua (ad esempio 12V) adatta ad alimentare le schede elettroniche.
