Teoria dei semiconduttori

Queste lezioni sono volutamente private di difficili trattazioni matematiche che potrebbero scoraggiare il principiante dall'intraprenderne la lettura. Per cominciare questo affascinante hobby non è necessario sapere a menadito le formule o i calcoli, ma è necessaria la conoscenza dei principi di base sulla quale la materia si basa e si evolve. Questo corso vuole essere un primo approccio all'elettronica che dia sufficiente 'cultura' in tal senso senza però entrare in particolari di difficile ricezione. Una conoscenza più approfondita della materia potrà venire in seguito, dopo prove pratiche e dopo aver letto libri più 'scientifici'.

TEORIA DEI SEMICONDUTTORI

I SEMICONDUTTORI

I semiconduttori sono particolari materiali che non si possono definire nè conduttori nè isolanti. Dispongono di alcuni elettroni liberi, liberi per agitazione termica, molti in più di un normale isolante ma molti meno di un buon conduttore. Da qui il nome di semiconduttori. Il semiconduttore intrinseco (ovvero puro) non ha interessanti virtù elettriche. Al contrario, interessanti capacità si possono creare drogando con opportune impurità il semiconduttore. Il termine drogare indica l'immissione nel materiale semiconduttore di impurezze che lo rendono appunto impuro. I semiconduttori più conosciuti son il germanio ed il silicio. Il germanio è ormai caduto in disuso, a causa delle sue caratteristiche inferiori rispetto al silicio (maggiore deriva termica, maggiori perdite da correnti parassite inverse, etc...). Ambedue sono tetravalenti, ovvero hanno nell'orbita più esterna 4 elettroni che possono combinarsi con gli elettroni degli atomi adiacenti per formare il classico legame covalente (mutuo interscambio di un elettrone con quello di un atomo vicino), ovvero la presenza di 8 elettroni sulle orbite esterne di cui 4 di un atomo e 4 interscambiati con altri 4 atomi vicini. Il silico ha 14 elettroni che compensano i suoi 14 protoni presenti nel nucleo. E' essenziale che sia chiaro il concetto che elettricamente i materiali semiconduttori sono 'neutri', ovvero le cariche negative (elettroni) sono in egual numero di quelle positive (protoni).

IL DROGAGGIO

Il drogaggio si effettua immettendo, come abbiamo visto, materiale 'drogante' nel semiconduttore. Tale drogaggio può essere effettuato con diversi materiali, secondo il risultato da raggiungere. Usando ad esempio fosforo o arsenico, che contengono 5 elettroni liberi nell'orbita di valenza ovvero dicasi pentavalenti, otterremo che il semiconduttore 'libererà' nella struttura cristallina 1 elettrone per ogni atomo di arsenico immesso. Perchè ciò? Dal momento che i materiali conduttori tendono a formare un reticolo cristallino tramite il legame covalente visto prima, (8 elettroni nelle orbite esterne di cui 4 condivisi) si otterrà che all'atomo di arsenico si legheranno 4 atomi di silicio. Siccome l'arsenico ha però 5 elettroni da donare, sulle orbite di valenza rimarrà un elettrone 'libero', dal momento che l'ottetto viene raggiunto con soli 4 elettroni (4 dell'arsenico + 4 donati da 4 atomi adiacenti di silicio). In tal modo nella struttura cristallina rimane questo elettrone libero, pur rimanendo l'intera struttura sempre neutra (infatti l'elettrone libero proviene da un atomo di arsenico che era neutro, ovvero dotato di ugual numero di cariche positive e negative).  Questo elettrone 'vaga' dunque  nel semiconduttore (ovviamente non è sempre lo stesso, ma si accoppia ad un legame covalente vicino liberando un altro elettrone al suo posto e così via). Siccome il drogaggio ha creato parecchi di questi elettroni liberi avremo un continuo interscambio di elettroni che passano da un atomo ad un altro. La somma però di tutti questi movimenti dà origine ad una corrente nulla, essendo le direzioni degli elettroni sempre diverse e casuali tali da autoannullarsi. Il semiconduttore così trattato si dice di tipo N

Effettuando invece un drogaggio con materiale trivalente (boro) che contiene quindi 3 elettroni liberi nella banda di valenza otterremo questa volta di creare un 'buco' nell'ottetto generato con i 4 atomi di silicio posti nelle immediate vicinanze dell'atomo di alluminio. Tale buco si definisce lacuna. L'alluminio 'cede' i sui tre elettroni al legame covalente che però non viene raggiunto completamente a causa appunto della mancanza di un elettrone. Tale lacuna viene riempita con un elettrone di un atomo vicino che però farà mancare il legame agli atomi con i quali è legato. In questo modo si può dire che la lacuna si 'sposta' nella struttura cristallina (in realtà sono sempre gli elettroni a spostarsi, ma in pratica si assiste ad uno spostamento del buco da un atomo all'altro). Anche in questo caso il materiale rimane neutro essendo il drogante (Alluminio) neutro. Il semiconduttore così trattato si dice di tipo P

I semiconduttori così trattati sono ancora però in un certo senso 'senza' scopo. Non abbiamo garantito nessuna particolarità elettrica degna di nota al materiale. Le speciali caratteristiche elettriche si creano quando due materiali drogati diversamente (uno tipo N ed uno tipo P) vengono uniti insieme in una struttura chiamata 'giunzione'.

LA GIUNZIONE PN

Accostando del materiale N a del materiale P (o meglio drogando una barretta di semiconduttore con drogante pentavalente su un lato e trivalente sull'altro) possiamo assistere ad un fenomeno particolare. Gli elettroni liberi del materiale N tenderanno in prossimità del punto di contatto (la giunzione) a trasferirsi dalla parte del materiale P, dove ci sono le lacune che reclamano un elettrone sul legame covalente. Identicamente si può affermare che siano le lacune a spostarsi verso il materiale N. tale movimento di cariche si chiama corrente di diffusione e ha una durata infinitesima. Infatti l'accumularsi di elettroni verso la zona P e conseguentemente di lacune nella zona N causa uno svuotamento di cariche nei pressi della giunzione con la conseguente creazione di un campo elettrico che si oppone ad ulteriori movimenti di cariche. Ricordiamo che sia il materiale N che il materiale P sono elettricamente neutri. Se un elettrone quindi riempie una lacuna si creerà un legame covalente 'stabile' ma altresì si creerà uno squilibrio elettrico negli atomi che hanno accettato tale elettrone, essendo ora presente una carica negativa in più nella struttura. Viceversa l'atomo del materiale N che ha donato l'elettrone che ha riempito la lacuna nel materiale P rimane 'orfano' di  una carica elettrica negativa aquistando quindi potenziale positivo.

E' chiaro che ad un certo momento non potrà più avvenire il passaggio di elettroni dalla zona N a quella P o di lacuna da quella P alla zona N a causa della barriera di potenziale che si è venuta a creare a cavallo della giunzione stessa causa lo squilibrio di cariche verificatosi con l'interscambio di portatori (lacune ed elettroni). Proviamo ora a polarizzare la giunzione così realizzata. Porremo il terminale negativo di un generatore sull'estremità del  materiale P e il positivo sull'estremità del materiale N. Questa polarizzazione si chiama POLARIZZAZIONE INVERSA. Gli elettroni forniti dal negativo del generatore che si avvicinano alla zona di svuotamento della giunzione troveranno la barriera di potenziale che ferma il loro avanzamento. Infatti sul materiale P è presente la fascia di atomi che hanno accettato un elettrone e sono quindi elettricamente negativi. Lo squilibrio elettrico quindi tra zona P e zona N tende ad elevarsi con l'apporto di ulteriori cariche negative sulla zona P (ricordiamo che il generatore è connesso con il negativo alla zona P). In questa situazione non può circolare nessuna corrente   attraverso la giunzione se si esclude quella di perdita dovuta allo spostamento di qualche carica che riesce ad attraversare la giunzione stessa. Polarizziamo ora il materiale con il positivo del generatore sul materiale P ed il negativo su quello N. tale polarizzazione prende il nome di POLARIZZAZIONE DIRETTA. In questo caso gli elettroni presenti nella barriera vengono attirati dal positivo del generatore così come le lacune bengono 'attirate' dal negativo   del generatore (posto su N) 'smaterializzando'  virtualmente il campo elettrico della zona di svuotamento e creando così la circolazione della corrente apportata dal generatore attraverso il materiale. Abbiamo quindi ottenuto un particolare componente dotato di una straordinaria capacità: quella di condurre corrente se polarizzato direttamente e di non condurla se polarizzato invece inversamente. Questo componente prende il nome di DIODO A SEMICONDUTTORE. In pratica la corrente in questo componente scorre solo e sempre in un senso solo, ovvero dalla zona N alla zona P a condizione che la zona N sia collegata ad un potenziale negativo rispetto alla zona P.

IL TRANSISTOR

Come visto nel caso del diodo anche il transistor, ovviamente, sfrutta le particolari caratteristiche della giunzione a semiconduttore. Nel transistor, però, le giunzioni diventano due e sono ottenute accostando materiale N ad due P oppure materiale P a due N.  Le tipologie di transistor sono dunque due: N-P-N e P-N-P. Il funzionamento delle due tipologie di transistor è pressochè identico, semplicemente nel primo si parla di circolazione di elettroni e nel secondo di lacune.

Per spiegare il funzionamento del transistor occorre prima fare qualche precisazione. In particolare è necessario che lo spessore del materiale che sta in mezzo agli altri due (il materiale P nel caso dell'NPN e N nel caso del PNP) abbia particolari caratteristiche. Più precisamente il suo spessore deve essere minore della 'distanza media di diffusione' delle cariche presenti nel semiconduttore, ovvero quella distanza media entro la quale una carica libera si ricombinerà con una di carica opposta. Per semplificare di molto potremmo concepire questa distanza come lo spostamento MINIMO che una carica in movimento nel semiconduttore DEVE ESEGUIRE ogni volta che si sposta. Il materiale posto al centro della giunzione prende il nome di BASE. Uno degli altri due materiali agli estremi verrà drogato in maniera molto più massiccia dell'altro e prenderà il nome di EMITTORE. Il restante materiale prenderà il nome di COLLETTORE e avrà un'area maggiore del collettore.

L'emittore, molto drogato, dispone dunqe di parecchi portatori in eccesso che potranno spostarsi nel materiale ed attraverso le giunzioni.

POLARIZZAZIONE

Per poter funzionare il transistor deve venir polarizzato in maniera univoca. Più precisamente dovremo polarizzare direttamente la giunzione Base-Emittore ed inversamente la giunzione Base-Collettore. E' altresì necessario che la giunzione Base-Collettore sia polarizzata ad un livello di tensione molto più elevato (almento 3..4 volte) di quella Base-Emittore. Analizziamo ora il comportamento del transistor in queste condizioni. Dal momento che la giunzione B-E è polarizzata direttamente avremo che un notevole flusso di cariche cercherà di ricongiungersi in base, partendo dall'emittore che, fortemente drogato, può fornirne in discreto numero. Dal momento che, però, lo spessore della base è inferiore alla distanza media di percorrenza delle cariche, molte di queste cariche tenderanno a 'saltare' letteralmente la base per ricongiungersi direttamente nel collettore, polarizzato oltretutto ad un livello maggiore della base e, dunque, in grado di attirarle con maggior efficacia. In termini pratici otteniamo che solo una piccola percentuale delle cariche 'espulse' dall'emittore riusciranno a ricombinarsi in base, mentre la maggiorparte di esse lo farà nel collettore. Il rapporto tra le due correnti (la corrente tra emittore e collettore e quella tra emittore e base) prende il nome di guadagno in corrente del transistor o beta. Questo numero si mantiene 'abbastanza' lineare entro una discreta gamma di correnti e indica in ultima analisi il fattore di amplificazione di corrente del transistor. Già, perchè la forza del transistor è proprio quella di 'amplificare' la corrente di base x beta volte nel collettore. Con una piccola variazione della corrente di base otteniamo dunque una grande variazione di quella di collettore.

Polarizzazione tipica di un transistor NPN. Nel caso di PNP la freccia interna dell'emittore è rivolta verso l'interno e l'alimentazione ha i poli invertiti.