Elettronica digitale

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Elettronica digitale
Elettronica digitale
Corso di Architetture degli Elaboratori
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Elettroni di valenza 1
Elettroni di valenza
Gli elettroni nello strato esterno di un atomo
sono detti elettroni di valenza. Tali elettroni
hanno effetto sulle reazioni chimiche dellatomo
e determinano le proprietà elettriche
dellelemento.
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Elettroni di valenza 2
Gli elettroni di valenza, liberandosi dai
relativi atomi, determinano la conduttività dei
solidi. La corrente elettrica che attraversa il
solido è costituita da flussi di elettroni di
valenza liberati.

• Conduttori grandi quantità di elettroni di
  valenza liberi
• a temperatura ambiente
• Isolanti scarse quantità di elettroni di
  valenza liberi
• a temperatura ambiente
• Semiconduttori discrete quantità di elettroni
  di valenza liberi a temperatura ambiente

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Teoria delle bande
Bande di energia
Le proprietà elettriche della materia sono
descritte per mezzo della teoria delle bande, in
termini di quantità di energia necessaria per
liberare elettroni di valenza.
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Livello di Fermi 1
Livello di Fermi
Livello di Fermi è il termine utilizzato per
indicare il più alto livello di energia a cui si
può trovare un elettrone alla temperatura di 0
gradi Kelvin (quindi in assenza di energia
termica)
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Livello di Fermi 2
La probabilità che un elettrone si trovi al di
sopra del livello di Fermi aumenta al crescere
della temperatura. La probabilità che un
elettrone finisca in banda di conduzione aumenta
con la temperatura ed è maggiore quanto minore è
il gap tra livello di Fermi (e quindi banda di
valenza) e banda di conduzione
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Proprietà di Si e Ge
Proprietà del silicio e del germanio
Formano reticoli cristallini le cui proprietà
elettriche possono essere modificate
sostanzialmente con una limitata sostituzione di
atomi (drogaggio)
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Cristalli di Si e Ge
In un cristallo di silicio (o germanio) i 4
elettroni di valenza sono posti in comune tra
atomi contigui nel cristallo.
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Semiconduttori intrinseci 1
Semiconduttori intrinseci
In un cristallo di Si (o Ge) si ha, ad ogni
temperatura al di sopra dello zero assoluto, una
probabilità non nulla che un elettrone finisca
in banda di conduzione.
Lelettrone abbandona latomo relativo (che
diventa uno ione carico positivamente)
lasciandosi dietro una lacuna.
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Semiconduttori intrinseci 2
In presenza di una tensione applicata, sia
elettroni che lacune contribuiscono ad una
piccola corrente.
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Semiconduttori intrinseci 3
A temperatura ambiente (25 C) il numero ni di
elettroni che statisticamente è passato in banda
di conduzione è dellordine di 1010
elettroni/cm3. La densità di atomi nel cristallo
è dellordine di 1022 atomi/cm3, per cui
allincirca un atomo ogni 1012 perde un
elettrone di valenza. Per il bilanciamento delle
cariche, si ha anche che pini.
Conduttività di un semiconduttore q(menimlpi),
dove q carica dellelettrone, me,ml mobilità
di elettroni e lacune Conduttività dellordine di
q(meml)1010
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Semiconduttori drogati 1
Semiconduttori drogati
Laggiunta di una piccola percentuale di atomi di
altri elementi nel cristallo comporta forti
cambiamenti nelle proprietà elettriche del
cristallo, che viene detto drogato.
(5 elettroni di valenza) fornisce 1 elettrone
aggiuntivo (donatore). Drogaggio di tipo n
(3 elettroni di valenza) fornisce 1 lacuna
aggiuntiva (accettore). Drogaggio di tipo p
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Drogaggio di tipo n
Drogaggio di tipo n
Laggiunta di impurità pentavalenti (Sb, As,
P) introduce elettroni liberi, non inseriti nella
struttura cristallina, aumentando la
conduttività del semiconduttore
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Drogaggio di tipo p
Drogaggio di tipo p
Laggiunta di impurità trivalenti (B, Al, Ga)
crea deficienze di elettroni di valenza, lacune,
aumentando la conduttività del semiconduttore
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Semiconduttori drogati 2
Drogaggio tipicamente dellordine di 1015
atomi/cm3 (un atomo drogato ogni 107). Numero nn
di elettroni in cristallo drogato n (o pp di
lacune in cristallo drogato p) dellordine di
1015 particelle/cm3, dovuti quindi in pratica al
solo drogaggio. Diminuzione, per la maggiore
ricombinazione, di lacune in cristallo n e di
elettroni in cristallo p. Quindi nngtgtni pigtgtpn
e ppgtgtpi nigtgtnp
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Semiconduttori drogati 3
In generale, si può mostrare che il prodotto tra
le concentrazioni di elettroni e lacune è
indipendente dal drogaggio nnpn nipi nppp, e
dellordine di 1020. Quindi, np e pn sono
dellordine di 105 particelle/cm3. Ricordando
che la conduttività di un semiconduttore è pari a
q(menimlpi), ne deriva che la conduttività di un
semiconduttore drogato è dellordine di
q(meml)1015 Un semiconduttore drogato conduce
100.000 (105) volte meglio di un semiconduttore
intrinseco (non drogato).
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Giunzione p-n
Giunzione p-n
Porre a contatto semiconduttori drogati in modo
opposto, formando una giunzione, introduce delle
proprietà elettriche molto interessanti. Quando
materiali di tipo n e di tipo p sono a contatto
la giunzione si comporta in modo molto diverso
rispetto ai due materiali considerati da soli.
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Regione di svuotamento
Regione di svuotamento
Quando si forma una giunzione p-n, una parte
degli elettroni liberi nella regione n si
diffondono attraverso la giunzione e si combinano
con lacune nella zona p. Ciò comporta che,
intorno alla giunzione, vengono creati ioni
positivi nella zona n e ioni negativi nella zona
p.
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Equlibrio alla giunzione
Equilibrio alla giunzione
In assenza di tensioni applicate, la giunzione è
in equilibrio, in quanto gli ioni nella regione
di svuotamento impediscono il passaggio di
elettroni (da n a p) o lacune (da p ad n)
attraverso la giunzione.
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Polarizzazione inversa della giunzione 1
Polarizzazione inversa della giunzione
Se la tensione applicata è negativa sulla parte
p e positiva sulla parte n, il passaggio della
giunzione è reso ancora più difficile.
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Polarizzazione inversa della giunzione 2
Lapplicazione di tenzione inversa alla giunzione
p-n causa una corrente temporanea (elettroni e
lacune sono spinti lontano dalla regione di
svuotamento). La corrente termina quando il
potenziale formato nella regione di svuotamento
bilancia la tensione applicata. Rimane allora
soltanto una piccola corrente intrinseca.
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Polarizzazione diretta della giunzione 1
Polarizzazione diretta della giunzione
Se la tensione applicata è positiva sulla parte p
e negativa sulla parte n, il passaggio della
giunzione è reso più facile.
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Polarizzazione diretta della giunzione 2
La tensione applicata in modo diretto spinge
lacune dalla regione p ed elettroni dalla regione
n verso la giunzione. Elettroni e lacune si
combinano alla giunzione ed un flusso continuo di
corrente viene mantenuto attraverso la giunzione.
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Comportamento di un diodo 1
Comportamento di un diodo
In definitiva, il comportamento di una giunzione
p-n è tale da far sì che essa conduca corrente in
una direzione, ma non nella direzione
opposta. La giunzione p-n è alla base del diodo,
utilizzato in generale come componente
conduttore unidirezionale.
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Comportamento di un diodo 2
Se VA gt VB la giunzione è polarizzata
direttamente il diodo fa pochissima resistenza e
scorre una corrente sostenuta da A verso B. Se
VA lt VB la giunzione è polarizzata in modo
inverso il diodo fa molta resistenza e scorre
una corrente molto bassa (da conduzione
intrinseca) da B verso A.
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Diodi e porte logiche
Implementazione di porte logiche mediante diodi
x y z
0 0 0
0 5 5
5 0 5
5 5 5
Porta OR
x y z
0 0 0
0 5 0
5 0 0
5 5 5
Porta AND
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Struttura di un transistor a giunzione
Struttura di un transistor a giunzione
Un transistor a giunzione consiste di 3 regioni
di semiconduttori drogati emettitore,
collettore (drogati allo stesso modo) e base
(drogata nel modo opposto, sottile e posta tra di
essi).
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Funzionamento di un transistor
Funzionamento di un transistor
Un transistor può operare in tre modalità
diverse, a seconda se le due giunzioni
base-emettitore e base-collettore sono
polarizzate in mdo diretto o inverso.
BE diretta BC inversa zona attiva BE diretta
BC diretta in saturazione BE inversa BC
inversa chiuso
La condizione BE inversa BC diretta non è
considerata in quanto equivale sostanzialmente a
BE diretta BC inversa.
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Transistor in zona attiva 1
Transistor in zona attiva
Gli elettroni emessi dallemettitore possono

• combinarsi con le
• lacune nella base
• diffondersi attraverso
• la base ed uscire dal
• morsetto di base (IB)
• diffondersi attraverso
• la base nel collettore
• ed uscire dal morsetto
• di collettore (IC)

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Transistor in zona attiva 2
Transistor in zona attiva
La corrente IC dal collettore è circa il 99
della corrente IE dallemettitore. La corrente
di base IB è una piccola frazione (1/b) della
corrente di collettore.
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Transistor in saturazione
Transistor in saturazione
La giunzione CB polarizzata direttamente tende
ad indurre una corrente da collettore a
base, inversa rispetto ad IE.
Inizialmente, IC tende ad invertire di verso,
decrescendo fino a 0. Poi cresce nella direzione
inversa.
In questa situazione VBC _at_ VBE o anche VCE _at_ 0
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Transistor chiuso
Transistor chiuso
La giunzione BE polarizzata inversamente riduce
a (quasi) 0 la corrente che lattraversa ne
deriva che per la corrente di emettitore si ha IE
_at_ 0. Dato che anche la giunzione BC è
polarizzata inversamente, e quindi IC _at_ 0, ne
deriva che IB _at_ 0.
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Configurazione common emitter
Configurazione common emitter
The entire normal range of silicon transistor
operation involves a change in base- emitter
voltage of only about two-tenths of a volt. This
is because the base-emitter diode is forward
biased. One of the constraints on transistor
action is that this voltage remains at about 0.6
volts (often referred to as the diode drop). A
small change in VBE can produce a large change
in collector current and achieve current
amplification.
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Curve caratteristiche in common emitter 1
Curve caratteristiche in common emitter curve di
input
La relazione tra corrente di base e tensione VBE
tra base ed emettitore è determinata dal fatto
che sono corrente e tensione attraverso una
giunzione (polarizzata direttamente).
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Curve caratteristiche in common emitter 2
Curve caratteristiche in common emitter curve di
input
A parità di VBE, un aumento di VCE comporta una
diminuzione di IB. Per VBE0,60,7 Volts la
giunzione BE passa in forte conduzione ed IB
assume valori elevati.
Piccole variazioni VBE
Forti variazioni IB (e IC)
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Curve caratteristiche in common emitter 3
Curve caratteristiche in common emitter curve di
output
La relazione tra corrente di collettore e
tensione VCE tra collettore ed emettitore è
determinata dal fatto che (considerata BE
polarizzata direttamente a 0,60,7 Volts) sono
corrente e tensione attraverso una giunzione
(polarizzata inversamente).
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Curve caratteristiche in common emitter 4
Curve caratteristiche in common emitter curve di
output
Zona attiva
Saturazione
Chiuso
Zona attiva IC dipende da IB, poco da VCE
Saturazione IC dipende poco da IB, molto da VCE
Chiuso IC dipende poco da IB, poco da VCE
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Retta di carico
Retta di carico
La retta di carico descrive i possibili punti in
cui può operare il transistor in una
configurazione common emitter
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Transistor come interruttore 1
Transistor come interruttore
Vin0
La giunzione EB è polarizzata inversamente
Punto di operazione
IB_at_ 0
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Transistor come interruttore 2
Transistor come interruttore
VinV
Punto di operazione
La resistenza RB è tale che VBE _at_ 0,6 Volts
La giunzione EB è polarizzata fortemente in modo
diretto
IB elevata
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Implementazione porta NOT
Implementazione porta NOT
Da quanto visto
Vin0
Vout _at_ V
VinV
Vout _at_ 0
Assumiamo (logica positiva) che Vin _at_ 0 indichi
il valore 0 Vin _at_ V indichi il valore 1
Quindi
output1
input0
input1
output0
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Implementazione porta NAND
Implementazione porta NAND
Vout _at_ 0 se e solo se VA _at_ V e VB _at_
V Altrimenti Vout _at_ V
In logica positiva porta NAND
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Implementazione porta NOR
Implementazione porta NOR
Vout _at_ 0 se VA _at_ V o VB _at_ V Altrimenti Vout _at_
V
In logica positiva porta NOR
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Struttura di un transistor CMOS
Transistor CMOS
Source (sorgente) Gate (porta) Drain (pozzo)
La corrente per scorrere da S a D deve
attraversare la zona G, drogata in modo opposto
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Funzionamento di un transistor CMOS 1
Transistor CMOS
In generale, dato che gli elettroni sono rari
nella regione di Gate, drogata p, mentre le
lacune sono rare nelle regioni di Drain e di
Source, drogata n, solo una limitatissima
corrente scorre da D a S (assumiamo VSD lt0).
Lo stesso avviene se G è carica negativamente.
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Funzionamento di un transistor CMOS 2
Transistor CMOS
Se G viene caricata positivamente, gli elettroni
nella regione di Gate sono attratti nella zona
tra le regioni di Drain e di Source, formando un
canale con forte concentrazione di elettroni tra
le due regioni drogate n.
Una corrente (di elettroni) può scorrere tra D ed
S.
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Funzionamento di un transistor CMOS 3
Transistor CMOS
Il comportamento di un transistor CMOS è simile
a quello di un transistor a giunzione.

• Differenze rispetto ad un transistor a giunzione
• maggiore resistenza su D rispetto alla base di
  un
• transistor a giunzione minor consumo
• maggiore tempo di commutazione