Componenti Passivi a Semiconduttore

• Introduzione• Diodo• Diodo Zener• LED• Fotoresistore• Fotodiodo

Introduzione(1)

Basati sulle proprietà elettroniche dei materiali semiconduttori. Disponibili come componenti discreti o integrati insieme ad altri dispositivi su un singolo chip (IC: Integrated Circuit).Specificati mediante dei codici alfanumerici. Esistono differenti convenzioni :

• JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council)• Pro-Electron• JIS (Japanese Industrial Standard)

Struttura: cifra, lettera, serial number, [suffix] Example: 2N2222A, 2N904

JEDEC

A = basso guadagno B = guadagno medio C = alto guadagno

Non fornisce indicazioni di funzione né di specifiche. Può dare informazioni sulla data di produzione.

N

1 Diodi 2 Transistori Bipolari 3 FET 4 Accoppiatori Ottici

Suffisso OpzionaleSerial Number:

Indica il dispositivo2° Carattere

Lettera

1o CarattereNumero: Designa iltipo di dispositivo

Introduzione (2)

I caratteri posti dopo le due lettere specificano il tipo di dispositivo.Nel caso di utilizzo commerciale si hanno una lettera e due cifre (W10 – Z99).Per altri utilizzi si hanno 3 cifre (100 – 999).

Indica che il dispositivo èrealizzato per applicazioni industriali, professionali o commerciali

(W,X,Y or Z)

A: Diodo RF B: VaractorC: Transistore, AF, per piccoli segnaliD: Transistore, AF, di potenzaE: Diodo TunnelF: Transistore, HF, per piccoli segnaliK: Dispositivo ad effetto HallL: Transistor, HF, di potenzaN: FotoaccoppiatoreP: Dispositivo sensibile alle RadiazioniQ: Dispositivo che produce RadiazioniR: Thyristor, per basse potenzeT: Thyristor, di potenzaU: Transistor, di potenza, switchingY: RettificatoreZ: Zener, o diodo regolatore di tensione

AGermanio o altro

materiale con band-gap 0.6÷1eV

B Silicio o altro materiale con band-gap 1÷1.3eV

C Arseniuro di Gallio o altro materiale con band-gap ≥1.3eV

R Materiali Compositi

Serial number3a Lettera Opzionale

2a LetteraSpecifica il tipodi dispositivo

1a Letteraspecifica il

semiconduttore

Pro-ElectronStruttura: 2 Lettere, [lettera], serie di cifre. Esempio: BC108A, BAW68, BF239

Introduzione (3)

Indica che il tipo èapprovato da varie organizzazioni giapponesi.

Non fornisce indicazioni di funzione né di specifiche. Può dare informazioni sulla data di produzione.

SA: Transistori PNP HF SB: Transistori PNP AF SC: Transistori NPN HF SD: Transistori NPN AF SE: Diodi SF: Thyristori SG: Dispositivi Gunn SH: UJT SJ: FET/MOSFET a canale PSK: FET/MOSFET a canale N SM: Triac SQ: LED SR: Rectificatore SS: Diodi di segnaleST: Diodi Varactor SZ: Diodi Zener

1 Diodi 2 Transistori Bipolari 3 FET

Suffisso OpzionaleSerial Number:

Indica il dispositivoCaratteri2 Letters

1o CarattereNumero: Designa iltipo di dispositivo

Japanese Industrial Standard (JIS) Struttura: cifra, two letters, serial number, [suffix] Example: 2SA1187, 2SB646

Diodo (2)

( )( )

0 1D

T

V tV

DI t I e η⋅⎛ ⎞⎜ ⎟= ⋅ −⎜ ⎟⎝ ⎠

I0 è la corrente di saturazione inversa VD(t) è la d.d.p. applicata tra anodo e catodoη è il fattore di correzione dipendente da VD(t) e dal materiale con cui è realizzata la giunzione (Ge 1, Si 1(VD>0.5) ÷ 2).VT= (K·T)/q = tensione equivalente di temperatura del valore di 26 mV a 300 K

Ciò è ottenuto mediante la giunzione p-n. Il comportamento non lineare è descritto dalla caratteristica I-V, il cui tipico andamento è mostrato in figura.

Elemento non lineare la cui funzione ideale è quella di permettere il flusso di corrente elettrica in una direzione e di bloccarla nell'altra.

VB

VT

TENSIONEDI SOGLIA

TENSIONEDI BREAKDOWN C

OR

REN

TED

IRET

TAC

OR

REN

TE

INV

ERSA

TENSIONE

Diodo (3)Per stimare il comportamento del componente è essenziale l’uso dei data sheet in cui sonoraccolti dal produttore i parametri necessari alla caratterizzazione del componenteesaminato. E’ considerata la prima pagina del data sheet relativo ai diodi 1N4001÷1N4007In tale pagina possono essere individuate quattro sezioni:• Rappresentazione grafica del componente: in cui sono riportate le dimensioni.• Features: in cui sono descritte le caratteristiche essenziali del componente.• Mechanical data: in cui è descritta la struttura del componente.• Maximum ratings and electrical characteristics: in cui sono descritti i valori

massimi, in tensione , corrente e temperatura, entro i quali è garantito il funzionamentodel componente.

Diodo (4)

Maximum repetitive reverse voltage,VRRM : quantità massima di tensione inversa che il diodo può sostenere (senza essere distrutto), sotto forma di impulsi ripetuti. Idealmente tale valore dovrebbe essere infinito.Maximum DC reverse voltage, VR or VDC : quantità massima di tensione continua inversa che il diodo può sostenere(prima che si verifichi l'effetto valanga). Idealmente tale valore dovrebbe essere infinito.Maximum forward voltage, VF : massima tensione diretta, specificata in genere per un determinato valore di corrente diretta. Idealmente tale valore dovrebbe essere nullo. Maximum (average) forward current , IF(AV) : quantità massima di corrente media che il diodo può condurre in polarizzazione diretta. Questo è fondamentalmente un limite termico dipendente dalla quantità di calore che la giunzione pn può dissipare. Idealmente tale valore dovrebbe essere infinito.Maximum (peak or surge) forward current, IFSM or if(surge) : quantità di picco massima di corrente che il diodo può condurre in polarizzazione diretta. Anche in questo caso il limite è di tipo termico ed è di solito più alto del valore di IF(AV) Idealmente tale valore dovrebbe essere infinito.Maximum total dissipation, PD : quantità di potenza (in watt) che il diodo può dissipare.

Diodo (5)

Operating junction temperature, TJ : massima temperatura che la giunzione pn può sostenere. E’ in genere data in gradi Celsius (oC). Il calore è il punto debole dei dispositivi a semiconduttore, essi devono essere tenuti a temperature non troppo elevate per garantire il buon funzionamento ed un tempo di vita adeguato. Thermal resistance,Rθ : differenza di temperatura, espressa gradi Celsius, fra giunzione ed ambiente esterno (RθJA) o tra giunzione ed i refori (leads )(RθJL) per un watt di potenza dispersa (oC/W). Idealmente tale valore dovrebbe essere nullo. Alta resistenza termica comporta elevate temperature sulla giunzione a parità di potenza dissipata.

Maximum reverse current, IR : la quantità di corrente inversa attraverso il diodo polarizzato inversamente, con tensione applicata pari a VDC Talvolta denominata come leakagecurrent. Idealmente tale valore sarebbe nullo, in realtà esiste una corrente inversa anche se molto piccola.Typical junction capacitance, CJ : Capacità intriseca della giunzione, essa è generata dalle cariche della regione di svuotamento ed è una quantità molto piccola con valori dell’ordine dei picofarad. Typical reverse recovery time, trr : tempo necessario al diodo per passare dallo stato ON allo stato OFF, o in altre parole dalla conduzione alla non conduzione.

Diodo (6)

J A D JAT T P θ− = ⋅

Diodo (7)

Diodo (7)

Rettificatore a semionda Rettificatore a doppia semionda

Rettificatore a doppia semionda con filtro capacitivo

Diodo (8)

Duplicatore di tensione

Triplicatore di tensione

Clamper

Vin Vmsin ωt2Vm

++

Vmsin ωt3Vm

+

+

+

Quadruplicatore di tensione

4Vm

+

Vmsin ωt +

+

+

Diodo (8)Duplicatore di tensione

Vm

Vm

+

-

+2Vm- +

-

+Vm+

+

Vm

+

-+

-

Vm

Vm

+

-

+2Vm- +

3Vm

+

-

+

-

2Vm

- +Vm

+

-

+

-

- +VmVm

-

+

Triplicatore di tensione

Vm

-

+

Vm

-

+ Vm

+

-

Vm

-

+2Vm

+

-

Vm

3Vm

-

+

Vm

-

+2Vm

+

-

- + 3Vm

Vm

+

-

Vm

-

+2Vm

+

-

- +

4Vm

+

-

Quadruplicatore di tensione

Si comporta come diodo a giunzione pn se è polarizzato direttamente, ma è in grado di condurre rimanendo integro quando è applicata una specifica tensione inversa. I semiconduttori pn sono fortemente drogati per cui accanto al fenomeno della moltiplicazione a valanga, diventa rilevante il breakdown zener.

Diodo Zener (1)

Il diodo zener è fondamentalmente caratterizzato: Nominal zener voltage (VZ)Power dissipation (Ptot)( massima potenza che il diodo può dissipare senza distruggersi).

Minimum zener current (IZK): minimo valore di Izrichiesto per mantenere la regolazione di tensione.Test zener current (IZT): è il livello di corrente alla quale la Vz del diodo è misurata. Maximum zener current (IZM): è la massima quantità di corrente che il diodo può trattare senza essere distrutto.

Sono importanti anche le seguenti quantità: VZ

IZK

IZT

IZM

-IR

-VR

VZ

VT

TENSIONEDIRETTA

TENSIONEINVERSA

CO

RR

ENTE

DIR

ETTA

CO

RR

ENTE

IN

VER

SA

Diodo Zener (2)

I parametri fondamentali che possono essere individuati nei data sheet sono raccolti in due tabelle:

Thermal Resistance junction to ambient air : Differenza di temperatura, espressa in gradi Celsius, fra giunzione ed ambiente esterno (RθJA) per un watt di potenza dispersa (oC/W).Maximum junction temperature : Massima temperatura che la giunzione pn può sostenere. E’ in genere data in gradi Celsius (oC). Operating and Storage junction temperature range

Diodo Zener (3)

Maximum Zener Impedante ( ZZM) : descrive la capacità del diodo zener ad opporsi alle variazioni di corrente.

LED (Light-Emitting Diode)

Sono costituiti da una giunzione pn realizzata con arseniuro di gallio o fosfuro di gallio. Tali materiali emettono radiazioni luminose quando sono attraversati da corrente elettrica (10÷30 mA).Quando la giunzione è polarizzata direttamente gli elettroni dal sem. n si spostano verso il sem. p, dove si ricombinano con le lacune in esso presenti. Ciò porta all’emissione di fotoni nella banda del visibile o dell’infrarosso (elettroluminescenza).

In generale il catodo è collegato al terminale più corto. Osservando l’interno del LED, sono visibili le estremità superiori dei terminali una a forma di bandierina e l’altra a forma di arpione. Sulla prima estremità è collegato il catodo mentre sulla seconda èconnesso l’anodo.

Per proteggere il dispositivo da eccessi di corrente, deve essere connesso un resistore in serie al LED. Il valore del resistore RS dipende dalla tensione alimentazione e da:

VF (tensione diretta )IF ( corrente diretta).

Questi valori sono dedotti dal data sheet. Tipici valori sono VF =1.6V, IF=20mA

LED (Light-Emitting Diode)

I LED hanno una tensione inversa di breakdown VR relativamente piccola, dell’ordine di -5 V. Se sono applicate tensioni inferiori a VR tale elemento è distrutto. Per proteggere il LED si può connettere un diodo a giunzione pn come indicato in figura.

LED (Light-Emitting Diode)

Controllo di emissioneE’ utilizzato un resistore variabile tramite il quale può essere variata la corrente che attraversa il LED. RS è utilizzato per proteggere il componente da valori eccessivi di corrente.

RS=Vdc-VF/IF

Vdc

Vdc

Indicatore di livello di tensioneQuando la tensione Vdc eccede la tensione VZ di un diodo zener esso conduce e permette alla corrente di fluire attraverso il LED. Connettendo in parallelo più sezioni, contenenti ciascuna un diodo zener con diverso valore di VZ, è possibile realizzare un display in cui è indicata la tensione assunta da V+

Fotoresistore (1)

E’ un resistore variabile controllato dalla luce, presenta resistenza elevata (MΩ) quando è posto al buio, assume valori bassi (100÷1000Ω) quando è illuminato.Realizzato con semiconduttore:

solfuro di cadmio per rilevare la lucesolfuro di piombo per rilevare gl’infrarossi

Fotoni colpiscono gli elettroni strappandoli dai loro legami e creando così delle coppie elettroni lacune. Liberi di contribuire alla corrente che attraversa il dispositivo

Fotoresistore (2)

Rilevatore di luceIn tale circuito il fotoresistore agisce come elemento sensibile alla luce. Quando è buio la corrente che fluisce nella serie è molto piccola mentre aumenta nel caso in cui il fotoresistore è esposto a qualche sorgente luminosa. Il potenziometro è utilizzato per calibrare il meter

Partitore di tensione sensibile alla luce 1All’aumentare della luce R2 e Vout diminuiscono. Al diminuire della luce R2 aumenta e Vout tende a Vin.

Partitore di tensione sensibile alla luce 2All’aumentare della luce R1 diminuisce quindi Vouttende a Vin. Al diminuire della luce R1 aumenta e Vout tende a 0

Fotoresistore (3)

Circuito attivato dalla luceIn tale circuito se il fotoresistore è esposto alla luce, la sua resistenza diminuisce, con il conseguente aumento della corrente di base del transistore. Per valori adeguati della corrente di base la corrente di emettitore sarà sufficiente ad attivare il relay.Alimentazione 6÷9V.Relè con resistenza di spirale pari a 500Ω.

Circuito attivato dal buio.In tale circuito il fototoresistore R2 dovrebbe avere resistenza minima intorno ad 1kΩ e R2 intorno a 100kΩ. Se il valore di R2 aumenta la corrente di emettitore aumenta ed il relè è attivato.Alimentazione 6÷9V.Relè con resistenza di spirale pari a 500Ω.

Fotodiodo (1)

Converte l’energia della luce (l’energia dei fotoni ) direttamente in corrente elettrica. Se l’anodo ed il catodo sono connessi mediante un conduttore ed il fotodiodo èilluminato esso si comporta come un piccolo generatore di corrente che invia corrente dal catodo verso l’anodo attraverso il conduttore.

Se il componente è illuminato, un certo numero di fotoni penetrerà nel semiconduttore esposto alla luce e genera delle coppie elettrone lacuna. Se tale formazione avviene in prossimità della giunzione gli elettroni liberati sono iniettati nel semiconduttore n a causa della Vb.

Fotodiodo (2)

Sorgente di correnteIl fotodiodo converte direttamente la luce in corrente elettrica. La relazione tra intensità della luce e la corrente generata risulta quasi lineare

Fotoconduttore Il fotodiodo può non generare sufficiente corrente per pilotare il circuito connesso. Per superare il problema èinserita ad una batteria. Quando il componente èilluminato il fotodiodo è attraversato da una corrente elevata, altrimenti sul componente scorre una corrente praticamente nulla (dark current pari a qualche nA). L’introduzione di un resistore permette di regolare ilcircuito