Complementi Ed Esercizi Di Elettronica Applicata I, Dalle Lezioni Di P. Maltese

204 Pages·1982·37.146 MB·Italian

by  P. Maltese, V. Ferrara, M. Guerriero

~ P. MALTESE - V. FERRARA - M. GUERRIERO
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COMPLEMENTI ED ESERCIZI
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COMPLEMENTI ED ESERCIZI
DI
ELETTRONICA APPLICATA I
dalle lezioni di P. MALTESE
trascritte da:
A MARTINELLI -E. MUOA<XIA -A PARENTE
G. PASQUALI - C SABATELLO - R SEU
EDIZIONI INGEGNERIA 2000
le copie non firmate da almeno uno degli autori si ritengono contraffatte
EDIZIONI INGEGNERIA 2000
P R E S E N T A Z I O N E
E' per me un grande piacere presentare questo testo di Complementi ed
Esercizi di Elettronica Applicata I preparato con la collaborazione di un grup
po di studenti da P. Maltese, V. Ferrara ed M. Guerriero. Gli autori infatti so
no essi stessi garanzia di un ottimo lavoro: già da lungo tempo P. Maltese mi è
vicino dapprima come laureando poi come assistente e collega. A tutti è ben noto
il suo rigore puntiglioso e la sua dedizione nell'impegno sia nel campo della
ricerc.a che nella didattica.
Più recentemente Ferrara e Guerriero si sono aggiunti al gruppo di Elet
tronica Applicata con la loro ampia preparazione, la disciplina e il s·enso di re
sponsabilità che li contraddistingue.
Il frutto di questa collaborazione non potrà che essere di grande aiuto
agli studenti nel compito spesso non semplice di preparare l'esame di Elettroni-
ca Applicata I. ·
Roma, giugno 1982
C.H. OTTAVI
Ordinario di Elettronica Applicata I
Facoltà di Ingegneria
Universiti di Roma.

I N D I C E
Barra illuminata a un estrc:no ....•••••••.•..........••.....•.......•.•• pag. 5
Esercizio: lamina illuminata da una lama di luce ..•....•........•• ; .... 13
Giunzioni P-N al silicio e al germanio 16
Giunzioni illuminate, fotodiodi, celle solari ......•....••...........•• 24
Esercizio: calcolo della ·corrente di corto circuito in una cella solare
semplificata 31
Esercizio: cella solare con resistenza interna serie •.••.••.•...•.••... 33
Esercizio: uso di celle solari per caricare una batteria .......••.....• 35
Esercizio: pannello solare parzialmente illuminato .•...•...•....•.••••• 40
Breakdown, diodi Zencr, tunnel e back.,ard ......••....................•. " 43
Analisi grafica di circuiti a diodi: curva di carico ••...•......•.....• 48
Esercizio: caratteristiche di trasferimento di due reti a diodi ...•.••. 51
Studio di un alimentatore stabilizzato a Zener 57
Portatori nella base del transistor •••....•.•..•..•...•••.•.•.•.••••... " 64
Corrente di ricombinazione nella base e parametri del transistor •••.••• 69
Limiti in tensione del transistor •••.•••••.•••••...•••••....•.......... 76
Caratter~stiche di trasferimento degli stadi elementari a transistor ..• 82
Esercizio: analisi grafica della forma d'onda i.n. uscita da uno stadio a
transistor .........................••...•.......••.......... 86
Esercizio: analisi grafica di un circuito a t·ransistor in presenza di i!!_
terazione uscita-ingresso ..•.••.•..••...•.•.••....••..•....• 89
Determinazione del punto di lavoro ..•...•.•..•••.....••.••......•••...• 94
Esercizio: determinazione approssimata del punto di lavoro ..•.......• .". 103
Resistenza massima di ingresso dell'inseguitore di emettitore .•....•••. 105
Esercizio: calcolo del guadagno di tensione di uno stadio ...........••. 108
Esercizio: calcolo dei parametri per piccoli SP.gnali e della dinamica di
uno stadio ..............•..•....••...•.........••.......••.. 109
'Stabilizzazione del punto di lavoro .•.....•.•.••••..••.•...•.....•••..• 113
Eserciziu: calcolo dei coefficienti di stabilizzazione di uno stadio .•. ~18
,Dissipazione t~rmica nel transistor ..••..•..........•...•.•.••.•.•.. •• · 122
Esercizio: dimensionamento del r~diatore di un transis~cr .....•....•••. 132
Funzionamento dcl transistor in commutazione ..............••.........•• Il 134
Comportamento del transistor in alta frequenza; tempo di transito pag. 139
Esercizio: stima della frequenza superiore di taglio di uno stadio ..... . 148
Studio di uno stadio in diverse bande di frequenza ...••................. 151
Lo stadio differenziale 160
Esercizio: studio di un circuito rivelatore .. : ......................... . 168
__.- Transistor a effetto di campo ....................................• , ..•.. 170
Esercizio: frequenze di taglio di uno stadio a FET ..................... . 177
Esercizio: determinazione della caratteristica di trasferimento di un in-
vertitore C-MOS .............••............................... 181
Esercizi proposti .....•.......•......•...•.........................•.•.. 188
Soluzione degli esercizi proposti 193
NOTA
La stesura originale dei diversi capitoli (qui indicati mediante il loro
numero d'ordine nel testo) è dovuta a: V. Ferrara (3, 9, 17, 18, 25,·31, 36, 38),
M. Guerriero (12, 26, 27, 32), P. Maltese (3, 4, 9, 12, 13, 23, 31, 33, 37),
A. Martinelli e E. Huciaccia (5, 6, 8, 10, 17, 18, 20, 37), A. Parente, G. Pa
squali e~· Sen (1, 2, 7, 11, 14, 15, 16, 21, 22, 23, 26, 29, 30, 33, 34, 35),
C. Solatelli (4, 13, 19, 24, 28).
BARRA ILLUMINATA A UN ESTREMO
Si abbia una sbarra di semiconduttore di tipo J.; illuminata ad
un estremo. A causa della illuminazione si generano coppie elettrQ
ne-lacuna in uno· spessore tr~
scurabile a partire dalla su
perfici e e·gli elettroni e le
lacune diffondono verso l'in
terno. Poichè il semiconduttQ
re è di tipo N affronti21'io il
problema nelle ipotesi che
o
l'illWllinazione sia sufficierr
temente debole da poter trascurare la concentrazione delle lacune
rispetto alla concentrazione degli elettroni magr,ioritari, cioè ci
ponia~o in condizioni di basso livello di iniezione. In tali condi
zioni per la concentrazione di lacune si ha
2:.:)
p'(~)~ p'to) ex.p(- (1)
Lr
èove Lp è la lunghezza di diffusione delle lacune ( Lp =/ Dp -Cp )
con Dr che rappresenta la costante di diffusione delle. lacune eLp
il tempo di vita. medio delle lacune nel nateriale li.
VogliaJ!1o ora vedere con;e varia con x la concentrazione degli
elettroni in eccesso e com'è il campo elettrico che si forma per
la differenza delle costanti di diffusione di elettroni e lacune.
Si potrebbe risolvere il problema facendo l'ipotesi che le corr
c~~trazioni in eccesso degli elettroni e delle lacune siano uguali
punto pe~ punto, cioè che sia ~antenuta punto per punto la neutra
lità elettrica è.el materiale. J.:a. questo è valido solo in prima ap
prossimazione tanto è vero che si trovano due diverse correnti di
diffusione per .;:li elettroni e per le lacune .e quindi una co!'re!!te
differenza tra le due che è dovùta.ad un campo elettrico f.enerato
da cariche elettriche che possono. essere elettroni, lacune, accet
tori e donatori ionizzati.
In condizioni di equilibrio vale la neutralità elettrica e si
ha la relazione
·r. . ., - n,.., + No - rvA =o (2)
Questa relazione non è pi~ vera se c'è un campo elettrico: i~
~atti se il proble::!a è u..r:.idi::ensionale zi ha che:
(3)
6.
dove
(4)
La neutralità elettrica corrisponde a p'= n.1 e quindi f =O ,
in queste con~izioni non esiste campo elettrico ~.
J
Dobbiamo seri vere una espressione cìella Tor dovuta agli elet
troni e alle lacune che qui cìeve essere nulla poichè non si ha con
tatto elettrico alle estremità della barra:
J -- - a~l Dp dd.. -xp-' + q- Dn dc0 :n-' + 4 f'n nn ..6P = O (5)
dove si è trascurata la J di trasporto delle lacune minoritarie.
La concentrazione de~li elettroni è data dalla concentrazione
all' equili·::-rio termico più la conce:: trazione n' dovuta all 'irraggig
mento; nel caso degli elettroni, in ipotesi di bassa iniezione, la
variazione di livello dovuta all'irragcia~ento è piccola rispetto a
a.uel la preesister:.te e infatti nella soluzione approssir::ata al: biano
p' = n' e, come p' è trascura«~ile rispetto a ·h,.,., così anc;,.e n' è
trascurabile rispetto a n.._ ; a n,,. possiamo quindi sostituire n..,o in
traducendo Un'approssimazione in fin dei conti piuttosto piccola.
Si devo:-io deteminare n' ed 't, dal sistema:
l di:, ~ ( r'- n')
(G)
c0<- f,.
dr'
~'
]= -Cj Dp d-?<- + q ['>~ ~ -t-'j f-r.n.n.~=O
t
3liminiano dalle due equazioni il campo elettrico àeri vancìo
la seconda €qua7 .ione. Derivando però si perde l'in.forma~ione che,
nell'equazione di parte!1za J=O; infatti derivando si ha .i.I_ =O
dx.
che· a.;imctte anchil soluzione J=cost. , e di questo occorre tener con
to nelle ccndizioni al contor~w.
Derivando la .; rispetto alla X si ottiene, semplificando la a_:
i dJ dz.P1 dzn.'
<1 &x.. -=. - f)p eh,' + D,,_· d'?(..L + n..N' r-~ ~f; ( r'-ri..')=O (1)
Dividendo per D~ si ha:
d. Zn..r n,,o µ,"- '1
n., p I (8)
D,:.. E-
Risulta quindi u::a equazione differenziale del secon~o ordine
a coefficienti costa~ti i~ cui si p~ò por.ce:
F(x-) = _D, , . _dzP ' _ _n._n_o' -f'-_n_t/_ p I ( 9)
D"" eh. .. i) n. E.
I.a soluzione è la so=a àeU.. a solu:?.ione .:iell' equazione omo,-e -
nea azsociata più un i~te~ale p~rticol~re.
7.
\
Poniamo per semplicità
2. E. D, .. (1 o)
).... =.
nno f"n. cq
L'equazione diventa quindi:
dzn.'
PC
n.' = 1<-)
c1.-,,,.• -
).2.
Consideriamo l'equazione omogenea associata
-cf-n.'- -r..tj =I O
d.~2. ')!
l'equazione caratteristica è
z. A
-=o
O(
)}
ed ha per radici a. = ± ,~_ ; la soluzione dell'equazione omo~enea ~ :
%
Se si sostituisce nella ( 9 ) a p'(x) il suo valore f 1 O) e Lp si
(
ottiene
D,.
Ft-x-J = ( ~) p1l0) ~(- ~) =
Dn
A p'fo) ~(- ~)
avendo posto
)
A= ( DP 1 -~ (-<ç;)
Dn- ~p ;t..'Z
Si osservi c!le
?... '2- ~ Dn. - l::r · Dn. (HJ
4n.".,µ"
dove ,tr h~ le.dimensio::i di .1u1 te::;po. Inoltre ("'-noµ,.,..q) ~la conà!.l
ci bili tà del semiconduttore e quindi si può seri vere kr-=. E.r dove r
è la resistività del se:nicondutt.ore stesso. L'espressione é .r si di
ce COSTA:fTE DI .!ULASSA1·'.E::TO DI.:;L~TTRICO :VEL HATLiUALE e rappresenta
la costante di tempo con cui si disperdono le cariche all'interno
del materiale.
i '\.
;.;e1 nostro caso risulta l:r « 'Lp e poichè Lp oC T~ ( eseendo L,. -=hr~r)
e ~"' è ~ell.o stesso .ort::.i!le ni -r:'"-".cte:;:r.a di ~P , si !la che ::l<~Lp.
).. , lun~hezza ài Debye, ha il sif,11i:icato ~isico di una lunt,hezza
entro la quale decadono le variazio~i di neutralità elettrica tra p'
ed n', e cioè la dist~za che occorre ai portatori :na:::,gioritari per
scher:!'.are un eccesso locale di ::iortatori :iir.ori·~ari..
Poichè :t<L Lp ris;il ta ( -t>P · ~ - ~) < O
On L.~. )..'