Semiconduttori, Drogaggio e Componenti Elettronici: Diodi e Transistor

Proprietà dei Materiali: Conduttori, Isolanti e Semiconduttori

I metalli sono ottimi conduttori di elettricità. Questa alta conducibilità è dovuta alla presenza di elettroni liberi nello strato più esterno degli atomi, i quali possono muoversi liberamente tra gli atomi di metallo.

Nell'Argento (Ag) e nel Rame (Cu), l'elettrone dello strato più esterno, sebbene in qualche modo legato al nucleo, si muove casualmente all'interno del metallo solido.

Tra i conduttori metallici e gli isolanti si collocano i semiconduttori, chiamati così perché sono conduttori peggiori dei metalli, ma migliori degli isolanti in generale.

I semiconduttori più importanti sono il Germanio (Ge) e il Silicio (Si), che hanno 4 elettroni nel loro strato di valenza.

Semiconduttori Intrinseci ed Estrinseci

Per lo studio dei semiconduttori, ci concentreremo sul legame covalente, caratterizzato dal fatto che gli elettroni di valenza sono condivisi tra due atomi adiacenti.

Un cristallo di Ge o Si puro (intrinseco) non ha elettroni liberi e non è conduttore. Tuttavia, se si aggiungono altre sostanze (impurità) che diventano parte della struttura cristallina, la conduttività aumenta notevolmente. Questo processo è noto come drogaggio.

Drogaggio di Tipo N (Donatore)

Se si aggiungono atomi che hanno 5 elettroni di valenza (impurità pentavalenti), la nuova struttura cristallina si forma con un elettrone libero, poiché gli altri 8 sono condivisi tramite legami covalenti. Il materiale così drogato è detto di Tipo N o donatore di elettroni.

Drogaggio di Tipo P (Accettore)

Se si aggiungono atomi che hanno 3 elettroni di valenza (impurità trivalenti), la nuova struttura cristallina si forma creando una lacuna (o "buca") per completare l'ultimo strato (mancanza di un elettrone). Questo materiale è detto di Tipo P o accettore di elettroni.

La Giunzione P-N: Funzionamento del Diodo

Quando si uniscono semiconduttori di Tipo P e di Tipo N (ad esempio, Silicio o Germanio), sulla superficie di contatto di entrambi i materiali avviene uno scambio di cariche (elettroni e lacune) per diffusione.

• Gli elettroni del semiconduttore di Tipo N passano nel semiconduttore di Tipo P e si ricombinano con le lacune.
• Allo stesso modo, le lacune del semiconduttore di Tipo P passano nel semiconduttore di Tipo N e si ricombinano con gli elettroni.

Questo scambio crea una zona priva di portatori di carica liberi, chiamata zona di svuotamento o barriera di potenziale.

Polarizzazione della Giunzione

Se la giunzione è polarizzata direttamente, la zona di svuotamento scompare e la corrente fluisce. Se invece è polarizzata inversamente, la zona di svuotamento aumenta notevolmente, bloccando il passaggio della corrente.

Un diodo non può mantenere la sua proprietà di bloccare la corrente a una tensione inversa infinitamente alta. Superato un certo valore, si apre elettricamente una breccia nella barriera di potenziale e si stabilisce una forte corrente nella direzione opposta, chiamata corrente di rottura (o breakdown).

Il Transistor: Struttura e Funzione

Il transistor è un componente a semiconduttore con tre regioni consecutive di semiconduttori drogati, disposte in sequenza P-N-P o N-P-N.

Esistono due tipi principali di transistor:

• Transistor PNP
• Transistor NPN

La regione centrale è chiamata la Base (B) e le due regioni esterne sono l'Emettitore (E) e il Collettore (C).

L'intensità della corrente di collettore è una funzione della tensione applicata tra emettitore e base. Se questa tensione è zero, non scorre corrente nella base, e di conseguenza non scorre corrente tra emettitore e collettore.

Aumentando la tensione di base, la corrente di emettitore aumenta rapidamente, raggiungendo valori elevati. Più intensa è la corrente di emettitore, maggiore è il numero di elettroni che raggiunge la base.

Il transistor è utilizzato come amplificatore di tensione e corrente, e come interruttore elettronico.