Corso di elettronica

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'.

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 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 arsenico, che contiene 5 elettroni liberi nell'orbita di valenza ovvero dicasi pentavalente, 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 (Alluminio) 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