Materiali: prima classificazione n Conduttori : sostanze nelle quali alcune o tutte le cariche...
-
Upload
valeriano-moro -
Category
Documents
-
view
230 -
download
0
Transcript of Materiali: prima classificazione n Conduttori : sostanze nelle quali alcune o tutte le cariche...
Materiali: prima classificazione Conduttori : sostanze nelle quali alcune o tutte le cariche elettriche possono muoversi liberamente sotto l'azione di forze elettriche (elettroni di conduzione nei metalli,
ioni nelle soluzioni acquose).
Isolanti (dielettrici): gli elettroni sono vincolati agli atomi (es.: vetro, ebanite).
Semiconduttori: classe di materiali intermedia tra i conduttori e gli isolanti per le loro proprietà di condurre elettricità (es. : silicio, germanio). In realtà in questi la conduzione avviene in modo piuttosto peculiare
Altri materiali Superconduttori (scoperti nel 1911; recenti scoperte
nel 1997) Nanotubi e nanofili(scoperti nel 1991)
Modalità di conduzione nei solidi Ciascun elettrone in un solido possiede una energia potenziale (livello energetico) Risultato fondamentale della meccanica quantistica è che non tutte le energie sono possibili: esse sono discrete e
raggruppate in bande le bande sono separate da regioni che indicano energie che gli elettroni non possono avere: bande proibite In un solido gli elettroni più esterni sono quelli che formano i legami: elettroni di valenza; banda di valenza La conduzione avviene se possiamo mettere in moto elettroni (energeticamente: dobbiamo disporre di elettroni in
banda di conduzione [energia cinetica])
Energia degli elettroni
Banda di conduzione
Banda di valenza
Modalità di conduzione nei solidi
Energia degli elettroni
Conduttori: “mare” di elettroni liberi
Si O Si
O
O
O
Isolanti (SiO2)
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Semiconduttori
Gap piccolo: salto termico
(rottura legame)
Semiconduttori intrinseci
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Semiconduttori
Gap piccolo: salto termico
(rottura legame)
Abbiamo visto che la conduzione avviene per due contributi: elettroni e lacune
Ev
ne
La velocità dei portatori è legata al campo da un fattore (di solito dipendente dal campo) definito mobilità
Ev
pl Posto:n (m-3) = concentrazione degli elettronip (m-3) = concentrazione delle lacune
EJ
pn pnq
Per semiconduttori intrinseci n=p
Semiconduttori Drogati
Si Si
Si
Si
P
Si
Si
++++++donatori
Drogati n
Si Si
Si
Si
B
Si
Si
----------accettori
Drogati p
Giunzione p-n (diodo) Semiconduttore drogato n: eccesso elettroni Semiconduttore drogato p: eccesso lacune
p n
Le lacune diffondono in n e gli elettroni i p, lasciando atomi ionizzati (regioni ”svuotate”)
------
+++
E
Gli atomi ionizzati producono un campo che impedisce ulteriore diffusione
La corrente può riprendere solo se si applica una ddp esterna che cancella tale campo elettrico: effetto soglia
Se la ddp esterna produce un campo nella stessa direzione di quello prodotto dagli ioni, aumentano le regioni svuotate
Giunzione metallo-semiconduttore (Schottky) In una giunzione pn entrambe le classi di portatori partecipano al fenomeno
della conduzione: i portatori più lenti limitano le prestazioni in velocità La giunzione Schottky è unipolare: più attraente ad alte frequenze
Caratteristica diodi; non linearità e linearizzazione Un diodo è un oggetto non lineare con caratteristica corrente
tensione I=F(V) Se viene applicata una tensione V0 fissa con sovrapposta una v
tale v << V0 V= V0+v possiamo espandere F nell’intorno di V0
....)()()( 000
0
VVdV
dFVFVvFI
VV
0I vg
vVgiII )( 00
V0 stabilisce il “punto di riposo” (bias)
Un diodo polarizzato in diretta si comporta ai piccoli segnali fondamentalmente come una conduttanza
Se polarizzato in inversa la conduttanza è trascurabile e solo la corrente di spostamento attraverso lo strato svuotato conta: diventa una capacità
dt
dVC
dt
dV
dV
dQ
dt
tVdQI
VV
0
))((
Caratteristica diodi; non linearità e linearizzazione Ora però immaginate che il punto di riposo sia stabilito da una
tensione oscillante VLO con pulsazione LO
Allo stesso tempo il segnale applicato v=vRF è ad una pulsazione RF e soddisfa la condizione di piccolo segnale
RFRFLOLO vVgi La corrente che scorre è
In pratica g varia alla frequenza LO(e relative armoniche…idealmente trascurabili) mentre vRF a RF:: è un MIXER
Un mixer fa idealmente il prodotto di due segnali: per esempio se tV LOLO cos tv RFRF cos
tt
ttvVi
LORFLORF
LORFRFLO
coscos5.0
coscos Traslazione in frequenza
Problematiche aggiuntive mixer La non linearità, specie se troppo marcata, produrrà molteplici
prodotti di intermodulazione (dovuti ai termini superiori dell’espansione in serie di Taylor, mLO +nRF con m,n interi
I (o alcuni) prodotti di intermodulazione possono essere eliminati attraverso: filtraggio configurazioni particolari (es: se la F(V), ottenuta combinando elementi non lineari ha simmetria dispari, solo armoniche dispari sono
generate)
Tali prodotti possono essere usati per realizzare mixer che non usino LO ma suoi multipli (mixer subarmonici)
Nella conversione di frequenza per mezzo di diodi si ha una “perdita di conversione” (tipicamente 4-7dB); tale perdita può essere compensata se si usano le non linearità di dispositivi attivi (transistor, tipicamente FET)
Mixer bilanciato: ibrido 90°
0°90°180°
-90
-9000
1
2
3
4
Ottimo adattamento ad RF ed LO Scarso isolamento LO ad RF ( e viceversa)
RF
LO
Mixer bilanciato: ibrido 180°
0°180°360°
Scarso adattamento ad RF ed LO Ottimo isolamento LO ad RF ( e viceversa)
RF
LO 180
000
1
2
3
4
Eventuali residui di LO ed RF sono mappati in uscita in controfase: se i segnali vengono combinati LO si cancella
FET a microonde Un FET ha un’impedenza di ingresso molto alta (almeno in bassa frequenza): più
facile adattare (?) In particolare un FET Metallo Semiconduttore è unipolare: indicato per
applicazioni ad alta frequenza.
n+ n+ n-doped epitaxial layer+ + + + + m
m
m
undoped GaAs
Semi-insulating GaAs
DrainGateSource
conducting channel
FET a microonde Nei MESFET la velocità di saturazione viene raggiunta a livelli di
campo relativamente bassi: conseguono effetti particolari come la formazione di domini di carica (domini di Gunn)
+ + +
a: Vgs=-1.0 V
Vds= 0.0 V
+ + +
b: Vgs=-1.0 V
Vds= 1.0 V
+ + +
c: Vgs=-1.0 V
Vds= 3.0 V
- --
-- -
++ +
+ + +
Infatti raggiunta la velocità di saturazione, incrementi della ddp spostano solo verso il source il punto in cui la velocità è raggiunta; alla fine quasi tutto il canale è percorso alla velocità di saturazione
Se si aumenta la ddp, la continuità della carica impone che in prossimità della riduzione di sezione vi sia un accumulo di carica
FET a microonde: circuito equivalente
Non diverso da un FET standard; ora però, a microonde capacità di pochi femtofarad sono di importanza notevole
Negli amplificatori di potenza (multifinger), Cg può essere piuttosto grande: bassa impedenza di ingresso e difficoltà ad adattare
n+ n+
Ri Id
Rs Rd
Rg
Cg Cgd
Ro
Rg Rd
Ri
Rs
Cgd
Cg
Id= F(Vg)
Vg
+
RoVd
+
Cgd agisce come feedback positivo: limita la stabilità del dispositivo
Un FET particolare: HEMT HEMT: acronimo di High Electron Mobility Transistor; chiamati
anche MODFET (Modulation Doped FET)
+ + + + +d
n-doped AlGaAs- - - - - - - - - - - - - 2 DEG
undoped GaAs
Buffer
I materiali vengono combinati così da ottenere un fenomeno detto “pozzo quantico”: in pratica si forma una “buca di potenziale” all’interfaccia tra due materiali dove si raccolgono alcuni degli elettroni provenienti da uno strato drogato
Il “Gas” elettronico (2DEG) viaggia in uno strato non drogato, e quindi con meno probabilità di collisione con impurità: maggiore mobilità (quindi velocità) e maggiore transconduttanza
Caratterizzazione degli amplificatori: guadagno
Guadagno di potenza (transducer power gain): rapporto tra potenza ceduta al carico e potenza disponibile dalla sorgente
Guadagno unilaterale (S12=0)
.2221
1211
SS
SSin
s
L
out
sZ
LZ
2
21122211
22221
11
11
LSLS
LST
SSSS
SG
2
2211
22221
11
11
LS
LSTU
SS
SG
Caratterizzazione degli amplificatori: guadagno
Massimo Guadagno Unilaterale o massimo guadagno disponibile (MAG: Maximum Available Gain): è quello che si ottiene se si la rete è adattata al complesso coniugato del carico
.2221
1211
SS
SSin
s
L
out
sZ
LZ
2222
211
221
11 SS
SMAGGGa TUm
Stabilità TEOREMA: (Teorema del progettista)
Quando si progetta un amplificatore si ottiene MOLTO PIU’ facilmente un oscillatore (ovviamente indesiderato)
Corollario
Quando si progetta un oscillatore è maledettamente facile realizzare un eccellente amplificatore
Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità
I coefficienti di riflessione all’ingresso e all’uscita dell’amplificatore sono
.2221
1211
SS
SSin
s
L
out
sZ
LZ
S
Sout
L
Lin S
SSS
S
SSS
11
211222
22
211211 11
Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità
Il circuito è INCONDIZIONATAMENTE STABILE se possiamo connettere carichi e sorgenti arbitrari. Questo è assicurato se
.2221
1211
SS
SSin
s
L
out
sZ
LZ
1111 2211 outinSS
Restringendo l’attenzione a carichi per cui S e L sono in modulo <1, queste condizioni portano a definire
11
2112
222
211
221122211
SS
SSSSSSK Coefficiente di Rollet
o di stabilità
Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità
Se K>1 possiamo ottenere il massimo guadagno risolvendo il sistema
.2221
1211
SS
SSin
s
L
out
sZ
LZ
**; LoutSin
Da cui si ottengono
*22111
2222
2111
1
21
211
12
4DSSCDSSBcon
C
CBBS
*11222
2211
2222
2
22
222
12
4DSSCDSSBcon
C
CBBL
Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità
Se K1occorre essere sicuri che per i carichi scelti in e out
siano1
.2221
1211
SS
SSin
s
L
out
sZ
LZ
Graficamente è possibile tracciare i luoghi con |in|=1 e |out|=1 sui piani complessi che rappresentano Le S (rispettivamente): CdS
Si tratta di cerchi con raggio e centro rispettivamente
output
DS
DSSc
DS
SSr
inputDS
DSSc
DS
SSr
LL
SS
2222
**1122
2222
2112
2211
**2211
2211
2112
Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità
L’origine corrisponde al caso in cui il carico (o la sorgente) è pari all’impedenza di normalizzazione.
.2221
1211
SS
SSin
s
L
out
sZ
LZ
In tal caso (rispettivamente) sappiamo che in=S11 (out=S22): quindi se il modulo di S11 (S22) è minore di uno l’origine rappresenta un punto stabile della carta del carico (Sorgente)
Altrimenti l’origine rappresenta un punto instabile. In tal modo possiamo capire se è l’area INTERNA o l’area ESTERNA del cerchio di stabilità a rappresentare i punti stabili
Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità
1
1
Sc
Sr
Stability circle
1
1Sc
Sr
Source impedancescausing instability
Casi in cui l’origine è un punto stabile:
Caratterizzazione degli amplificatori: Stabilità
Se l’ampli è incondizionatamente stabile, il MAG può essere riscritto in termini del coeff di Rollet:
12
12
21 kkS
SMAG
Altrimenti si definisce il MASSIMO GUADAGNO STABILE
12
21
S
SMSG
Rumore In uscita troviamo del segnale anche in assenza di segnale
all’ingresso: il rumore In generale quindi in uscita avremo il rumore del segnale in ingresso, amplificato
con il segnale stesso, più il rumore generato dall’amplificatore. Un figura di merito è la Figura di Rumore: F=rapporto tra il S/N all’ingresso ed il S/N all’uscita
Quindi un dispositivo migliore ha figura di rumore più piccola
Rumore
Un due porte rumoroso può essere rappresentato come un due porte privo di rumore con all’ingresso generatori (tensione e corrente) di rumore
Se ci fosse solo un generatore di corrente, un’impedenza di sorgente minima ridurrebbe la corrente di rumore che entra nel due porte
2-porte senza rumore
vn
in
Viceversa, se ci fosse solo il generatore di tensione, sarebbe auspicabile una impedenza di sorgente grande
Rumore
In generale esisterà una impedenza di sorgente ottima che minimizza la quantità di rumore che entra nel due porte
Possiamo pensare a questa come all’impedenza che rende “disadattato” il rumore, pur lasciando relativamente adattato il segnale utile
I costruttori forniscono quindi di solito una opt
0
0
ZZ
ZZ
opt
optopt
Quindi Zopt è il valore che dovrebbe avere l’impedenza di sorgente per avere la minima figura di rumore
Rumore
Se l’impedenza di sorgente non corrisponde alla ottima, si calcola la figura di rumore effettiva
opts
sn
ZZ
RRFF
min
Quindi il disegno per il minimo rumore consiste in: trasformare l’impedenza di sorgente (tipicamente quella di sistema, 50 ) in Zopt trasformare l’impedenza di carico in modo tale che
opt
optoutL S
SSS
11
211222
*
1
Polarizzazione (Bias) La polarizzazione determina la CLASSE dell’amplificatore (A, AB,
B, F, G ecc.). Un amplificatore lineare (A) è polarizzato in modo che il transistor sia accese durante tutto il ciclo del segnale di ingresso.
La polarizzazione va garantita influenzando il meno possibile le prestazioni a RF: le tensioni e correnti di polarizzazione vanno fornita attraverso induttori o stub che impediscano alla RF di “vedere” il circuito di alimentazione
Le considerazioni relative alla stabilità del punto di riposo (in temperatura, rispetto a variazioni dei parametri ecc.) sono comuni al progetto di ampli in bassa frequenza
Comportamento non lineare Un amplificatore è considerato lineare se la potenza in uscita
cresce linearmente con la potenza di ingresso Quando la potenza di uscita si allontana dalla retta ideale di 1 dB
si individua il “punto di compressione ad 1dB”
Quando il dispositivo cessa di essere lineare nascono i prodotti di intermodulazione, con potenza via via crescente
I prodotti più pericolosi sono di ordine 3 (m+n=3)
Quando la potenza dei prodotti di intermodulazione di ordine 3 uguaglia il segnale utile si ha “l’intercetta di 3 ordine”: questa consente di ricavare con alcune semplici formule, il livello delle armoniche alle altre potenze, ed è perciò un parametro importante