I semiconduttori e l elettronica

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1 F.239 I semiconduttori e l elettronica Lo sviluppo attuale dell elettronica è stato possibile grazie all uso di materiali semiconduttori, dei quali il più importante è il silicio. I semiconduttori, come sappiamo, sono materiali che hanno valori di resistività intermedi tra quelli dei conduttori metallici e quelli dei materiali isolanti. I semiconduttori si distinguono dai conduttori metallici anche per il fatto che la loro resistività diminuisce all aumentare della temperatura. Vedremo in questo capitolo come si spiegano queste proprietà dei materiali semiconduttori; considereremo poi come questi materiali sono utilizzati per realizzare diodi e transistor, ossia i componenti fondamentali dei moderni apparecchi elettronici. Figura 1. Circuito integrato. 1. Il passaggio della corrente elettrica nei semiconduttori Sappiamo che nei conduttori metallici è presente un grande numero di portatori di carica: ogni atomo di un solido metallico cede infatti gli elettroni del suo strato elettronico più esterno, lasciandoli liberi di muoversi in tutto il volume del metallo. I materiali isolanti sono invece costituiti da molecole o cristalli formati da legami ionici o covalenti, nei quali tutti gli elettroni sono saldamente legati agli atomi.

2 F.240 Nel caso dei materiali semiconduttori si ha una situazione intermedia tra quella dei conduttori metallici e quella degli isolanti: solo pochi elettroni, uno ogni 10 9 atomi all incirca, sono liberi di muoversi e di contribuire così al passaggio della corrente elettrica. Vedremo ora come la presenza di portatori di carica nei semiconduttori possa essere dovuta a due cause: la temperatura o la presenza di impurità all interno del materiale semiconduttore. I semiconduttori intrinseci Sappiamo dallo studio della chimica che gli elementi appartenenti ai primi gruppi della tavola periodica assumono una configurazione elettronica più stabile cedendo gli elettroni dello strato elettronico esterno incompleto. Possono così legarsi gli uni agli altri mediante il legame metallico: gli atomi degli elementi del primo gruppo, come il sodio o il potassio, cedono un elettrone ciascuno; quelli del secondo gruppo, come il magnesio o il calcio, cedono due elettroni ciascuno, mentre quelli del terzo gruppo, come l alluminio, ne cedono tre. Gli atomi degli elementi del quarto gruppo, come il carbonio, il silicio e il germanio, possono invece raggiungere una configurazione elettronica stabile sia cedendo sia ricevendo quattro elettroni ciascuno. Tendono quindi a formare cristalli con una struttura a forma di tetraedro legati da legami covalenti, nei quali ogni atomo si lega ad altri quattro atomi mettendo in comune con ciascuno di essi uno dei suoi elettroni più esterni: la figura 2 mostra, per esempio, la struttura cristallina di un diamante, formato da atomi di carbonio, mentre la figura 3 rappresenta in forma schematica la disposizione degli elettroni nei legami covalenti all interno del cristallo. I cristalli formati da questi elementi, quando sono puri e a temperatura molto bassa vicina allo zero assoluto, sono perfettamente isolanti perché tutti gli elettroni sono legati agli atomi e non sono presenti portatori di carica liberi. Figura 2. Il diamante è un cristallo di carbonio che si presenta allo stato grezzo con una struttura ottaedrica, formata da due tetraedri sovrapposti. Questa forma è dovuta ai quattro legami covalenti omopolari con cui ciascun atomo di carbonio si lega ad altri quattro atomi disposti secondo i vertici di un tetraedro regolare. Nel disegno ogni atomo è rappresentato da una sfera colorata; i legami sono rappresentati da barrette rosse che uniscono gli atomi. Una cella, composta da un atomo al centro di un tetraedro e quattro atomi ai suoi vertici, è evidenziata in colore più intenso, mentre le linee blu mostrano la struttura tetraedrica del reticolo cristallino.

3 F.241 C C C C C C C C C C C C C C C C Figura 3. Rappresentazione schematica della struttura cristallina del carbonio (diamante). Ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi da un legame covalente formato da una coppia di elettroni (rappresentati da pallini azzurri). Riscaldando il cristallo a una temperatura T, gli atomi che lo compongono acquistano un moto di agitazione termica con un energia cinetica media pari a circa kt, che a temperatura ambiente è circa 0,025 ev. Poiché le velocità di agitazione termica degli atomi sono distribuite secondo una distribuzione maxwelliana, in ogni istante si avrà una certa percentuale di atomi con energia superiore a questo valore medio. In un cristallo di carbonio (diamante) è necessaria un energia di 5,33 ev per strappare un elettrone a un legame covalente: si tratta di un energia molto grande rispetto all energia media del moto di agitazione termica. In un diamante a temperatura ambiente il moto di agitazione termica non è quindi in grado di liberare elettroni: per questo il diamante è un buon isolante. L energia necessaria per strappare un elettrone a un legame covalente in un cristallo di silicio è invece di soli 1,14 ev, ed è ancora più bassa, soli 0,67 ev, nel caso di un cristallo di germanio. Anche se queste energie sono ancora grandi rispetto all energia media di agitazione termica degli atomi del cristallo, un piccolo numero di elettroni può essere liberato. Il cristallo contiene quindi ora portatori di carica liberi e può passare in esso una corrente elettrica. La densità di elettroni liberi in un cristallo di silicio puro alla temperatura di 20 C è n e = 7, el/m 3, mentre per un cristallo di germanio puro si ha n e = 1, el/m 3 : si tratta di densità circa dieci ordini di grandezza minori di quelle tipiche dei metalli. Quanto più elevata è la temperatura, tanto maggiore è l energia media del moto di agitazione termica degli atomi del cristallo e quindi è maggiore il numero di elettroni liberi nel cristallo: questo spiega la diminuzione della resistività dei semiconduttori all aumentare della temperatura. Quando un elettrone, avendo acquistato una sufficiente energia, si libera dalla coppia di atomi a cui è legato, si crea una lacuna, ossia un posto disponibile per un altro elettrone. dice allora che si è formata una coppia lacunaelettrone libero. Gli elettroni liberi che nel loro moto nel cristallo passano nei pressi di una la

4 F.242 cune possono riempirla, mentre contemporaneamente l agitazione termica produce altre coppie lacuneelettroni liberi. Come mostra la figura 4, le lacune tendono a migrare nella direzione del campo elettrico, comportandosi a tutti gli effetti come portatori di carica elettrica positiva. A B Figura 4. Rappresentazione schematica della struttura cristallina del silicio a temperatura ambiente. Alcuni elettroni abbandonano i legami a cui appartengono (A) lasciando una lacuna (rappresentata da una macchia rossa). Elettroni provenienti da legami vicini possono riempire la lacuna (B) lasciandone un altra al loro posto. Nel cristallo sono quindi presenti portatori di carica negativi (gli elettroni liberi) e positivi (le lacune). Il drogaggio dei semiconduttori In un cristallo di silicio o di germanio puro il numero di portatori di carica è, come abbiamo visto, molto piccolo. I semiconduttori puri, nei quali la presenza di portatori di carica è dovuta esclusivamente alla formazione di coppie lacuneelettroni liberi dovuta al moto di agitazione termica e il numero di elettroni liberi è uguale al numero delle lacune, sono detti semiconduttori intrinseci. Nella maggior parte dei casi, però, i materiali semiconduttori contengono impurità. È sufficiente la presenza di quantità anche molto piccole di impurità, anche solo un atomo ogni 10 5 o 10 6, perché il numero di portatori di carica presenti in un materiale semiconduttore aumenti notevolmente e diminuisca quindi in misura altrettanto notevole la resistività del materiale. Questo fatto è sfruttato per produrre materiali semiconduttori, detti semiconduttori estrinseci, che hanno proprietà elettriche ben determinate. L inserimento in un materiale semiconduttore (generalmente silicio) di piccole quantità di altri atomi viene detto drogaggio del semiconduttore. Supponiamo di inserire in un cristallo di silicio piccole quantità di atomi pentavalenti, che hanno cinque elettroni nello strato elettronico più esterno, come per esempio fosforo o antimonio. Quando uno di questi atomi sostituisce un atomo di silicio nel reticolo cristallino, quattro dei suoi cinque elettroni esterni sono utilizzati per formare legami covalenti ciascuno con un atomo di silicio. Il quinto elettro

5 F.243 ne non è utilizzato per formare un legame e resta legato molto debolmente: nel caso in cui l impurità sia costituita da un atomo di fosforo sono sufficienti 0,045 ev per rimuoverlo. A temperatura ordinaria praticamente tutti gli atomi di fosforo perdono il loro quinto elettrone: questi atomi sono detti donatori perché donano ciascuno un portatore di carica al cristallo. Nei semiconduttori drogati con atomi donatori il numero di elettroni liberi è molto più grande di quello delle lacune: questi semiconduttori sono detti semiconduttori di tipo n, dove la lettera n sta per la carica negativa dei portatori di carica. La figura 5 mostra una rappresentazione schematica di un semiconduttore di tipo n. P B B P A Figura 5. Rappresentazione schematica della struttura cristallina di un cristallo di silicio drogato con atomi di fosforo. Oltre agli elettroni e alle lacune provenienti dai legami covalenti del silicio (A), sono presenti nel cristallo anche elettroni liberi ceduti dagli atomi di fosforo (B). Nel cristallo vi è quindi un eccesso di portatori di carica negativi (elettroni). Un semiconduttore può essere drogato anche con atomi che hanno solo tre elettroni nello strato elettronico più esterno, per esempio atomi di alluminio o di indio. In questo caso solo tre dei quattro atomi di silicio circostanti possono formare un legame completo. Il legame con il quarto atomo di silicio è composto da un solo elettrone, e costituisce quindi una lacuna. È sufficiente una quantità di energia molto piccola (0,057 ev nel caso in cui l impurità sia costituita da un atomo di alluminio) perché questa lacuna venga riempita da un elettrone ceduto da un legame tra atomi di silicio adiacenti. Gli atomi di impurità come l alluminio che accettano elettroni dal cristallo sono detti accettori. Nei semiconduttori drogati con atomi di questo tipo il numero delle lacune è molto superiore a quello degli elettroni liberi: questi semiconduttori si dicono semiconduttori di tipo p, dove la lettera p sta per la carica positiva dei portatori di carica presenti in questi cristalli, ossia delle lacune. La figura 6 mostra una rappresentazione schematica di un semiconduttore di tipo p. A seconda dello scopo a cui il cristallo drogato è destinato viene determinato il numero di atomi donatori o accettori, e quindi la densità di portatori di carica, che generalmente viene mantenuta tra e m 3 nel caso di cristalli di silicio e tra e m 3 nel caso di cristalli di germanio.

6 F.244 Al B Al B A Figura 6. Rappresentazione schematica della struttura cristallina di un cristallo di silicio drogato con atomi di alluminio. Oltre agli elettroni e alle lacune provenienti dai legami covalenti del silicio (A), sono presenti nel cristallo anche lacune lasciate dagli elettroni che hanno completato il legame incompleto degli atomi di allumino (B). Nel cristallo vi è quindi un eccesso di portatori di carica positivi (lacune). Termistori e fotoresistenze Le proprietà elettriche dei semiconduttori intrinseci sono sfruttate in due semplici componenti elettronici, i termistori e le fotoresistenze, sensibili rispettivamente alla temperatura e all esposizione alla luce. Nei termistori viene sfruttato il fatto che la resistenza elettrica di un materiale semiconduttore varia rapidamente all aumentare della temperatura. tratta di dischetti di materiale semiconduttore poco costoso, generalmente ossidi metallici, del diametro di pochi millimetri. Dalla misura della loro resistenza elettrica si risale, attraverso un opportuna taratura, a quella della temperatura. Poiché il coefficiente termico dei materiali con cui sono realizzati i termistori è negativo (la resistività diminuisce all aumentare della temperatura) ci si riferisce spesso a questi componenti elettronici con la sigla NTC (dalle iniziali di Negative Temperature Coefficient ). L uso dei termistori per la misura della temperatura comporta alcuni vantaggi rispetto ai tradizionali termometri basati sulla dilatazione termica. Poiché la variazione della resistenza di un termistore al variare della temperatura è molto sensibile, mediante l uso di termistori è possibile realizzare termometri in grado di apprezzare facilmente variazioni di temperatura di un decimo di grado: la resistenza elettrica di un tipico termistore può infatti variare da 850 Ω a una temperatura di 50 C a 170 Ω a una temperatura di 100 C, fino a 50 Ω a una temperatura di 140 C. Un termistore può inoltre essere molto piccolo e quindi avere una piccola capacità termica.

7 F.245 Nelle fotoresistenze viene invece sfruttato il fatto che l assorbimento di radiazioni luminose può produrre, in un materiale semiconduttore, la liberazione di elettroni di legame e quindi la produzione di coppie di elettroni liberi e lacune. Quando un materiale semiconduttore è esposto alla luce, perciò, aumenta il numero di portatori di carica in esso presente e quindi diminuisce la sua resistenza elettrica. Una fotoresistenza è normalmente costituita da un dischetto di silicio o di solfuro di cadmio con una superficie sensibile di qualche millimetro quadrato. Al buio una fotoresistenza presenta una resistenza elettrica molto grande, ma se viene esposta alla luce la sua resistenza elettrica diminuisce grandemente, anche di un milione di volte se l intensità luminosa è molto elevata. Figura 7. Fotoresistenza. 2. La giunzione pn e il diodo I materiali semiconduttori sono utilizzati per realizzare dispositivi che permettono di manipolare in vario modo le correnti elettriche e realizzare così la grande varietà di strumenti elettronici di cui facciamo uso quotidianamente. I componenti fondamentali di tutti i circuiti elettronici sono i diodi e i transistor, il cui funzionamento è basato sull accostamento di semiconduttori di tipo n con semiconduttori di tipo p. L uso di componenti elettronici realizzati con materiali semiconduttori si è diffuso a partire dalla seconda metà del XX secolo. In precedenza le apparecchiature elettroniche erano basate sulle valvole termoioniche, costituite da tubi di vetro sotto vuoto nei quali la corrente elettrica è costituita da un fascio di elettroni emessi da un filamento metallico riscaldato. I diodi e i transistor sono detti anche dispositivi a stato solido, perché in essi il flusso della corrente elettrica avviene all interno di un materiale solido anziché essere costituito da un flusso di elettroni nel vuoto come nelle valvole termoioniche. La giunzione pn Un cristallo semiconduttore di tipo n contiene più portatori di carica negativa, ossia elettroni liberi, che portatori di carica positiva. Un cristallo semiconduttore di tipo p, invece, contiene più portatori di carica positiva, ossia lacune, che portatori di carica negativa. In entrambi i casi i cristalli semiconduttori, isolati uno dall altro, sono elettricamente neutri.

8 F.246 Consideriamo però un cristallo semiconduttore di tipo n posto a stretto contatto con un cristallo dello stesso semiconduttore di tipo p. La regione di contatto è detta giunzione pn. Gli elettroni liberi e le lacune presenti in un cristallo semiconduttore tendono a spostarsi, nel loro moto disordinato, da regioni in cui hanno una maggiore concentrazione a regioni di minore concentrazione, con un processo di diffusione analogo a quello che si realizza in un gas. Attraverso la giunzione, quindi, elettroni liberi provenienti dal cristallo di tipo n diffondono nel cristallo di tipo p mentre lacune provenienti dal cristallo di tipo p diffondono nel cristallo di tipo n. Perdendo elettroni e ricevendo lacune, il cristallo di tipo n acquista una debole carica elettrica positiva, mentre il cristallo di tipo p diviene debolmente negativo. Nella regione di contatto si stabilisce un campo elettrico E 0 a cui corrisponde una differenza di potenziale V 0 tra le due parti del cristallo semiconduttore. Questa differenza di potenziale ostacola il processo di diffusione e solo i portatori di carica dotati di maggiore energia possono oltrepassare la giunzione, dando luogo a una debole corrente di diffusione i dif. L esistenza di una corrente di diffusione i dif tra i due cristalli tenderebbe a incrementare la differenza di potenziale tra di essi. Nel materiale semiconduttore, però, si formano continuamente coppie di elettroni liberi e lacune a causa del moto di agitazione termica degli atomi di cui esso è composto. Quando una di queste coppie di portatori di carica è prodotta nella regione della giunzione, sotto l azione del campo elettrico E 0 l elettrone migra verso il cristallo di tipo n mentre la lacuna migra verso il cristallo di tipo p. ha così una corrente di deriva i der che compensa la corrente di diffusione i dif. E 0 p A A n ione negativo dell impurità trivalente ione positivo dell impurità pentavalente lacuna elettrone E 0 B B E 0 Figura 8. Rappresentazione schematica di una giunzione pn. Con A sono indicati (nel disegno in alto) gli elettroni che dal semiconduttore di tipo n (a destra) diffondono nel semiconduttore di tipo p e le lacune che diffondono in senso inverso creando un campo elettrico E 0 tra le due porzioni del semiconduttore. Con B sono indicate (nel disegno in basso) le coppie di elettroni liberi e lacune che si creano nella giunzione e vengono rimosse dal campo elettrico E 0. Nella regione della giunzione non si hanno portatori di carica e si forma un doppio strato di cariche elettriche (gli ioni delle impurità evidenziati in colore).

9 F.247 Figura 9. Diodi. Per una giunzione pn tra due cristalli di silicio si producono in questo modo una differenza di potenziale V 0 = 0,6 V e una corrente i dif = i der = 10 8 A. La regione in cui si stabilisce il campo elettrico E 0 può avere una larghezza d 0 = 500 nm. Tale regione si dice regione di svuotamento perché è praticamente svuotata da portatori di carica: ogni elettrone o lacuna che si trovi all interno di questa regione migra fuori di essa per effetto del campo elettrico E 0 (figura 8) Il diodo Il diodo a giunzione è costituito da due cristalli semiconduttori che costituiscono una giunzione pn, a ciascuno dei quali è applicato un elettrodo metallico. Supponiamo di applicare ai due elettrodi del diodo una differenza di potenziale V tale che il cristallo di tipo p sia negativo rispetto al cristallo di tipo n. dice allora che il diodo subisce una polarizzazione inversa (figura 10.c). La differenza di potenziale V si somma alla differenza di potenziale V 0 già presente attraverso la giunzione pn: la barriera di potenziale attraverso la giunzione passa da V 0 a V 0 V, ostacolando maggiormente la diffusione dei portatori di carica tra i due cristalli, la larghezza della regione di svuotamento aumenta e la corrente di diffusione i dif diminuisce. La corrente di deriva i drr è invece indipendente dalla differenza di potenziale attraverso la giunzione, e resta costante. Il diodo è allora attraversato da una debolissima corrente i = i der i dif diretta dal cristallo di tipo n al cristallo di tipo p, detta corrente inversa e rappresentata nella figura 11 dal ramo della curva caratteristica corrispondente a valori negativi della differenza di potenziale. Poiché le coppie lacuneelettroni libere che danno luogo alla corrente di deriva si formano nella regione della giunzione a causa del moto di agitazione termica, l intensità della corrente inversa aumenta all aumentare della temperatura.

10 F.248 a) p E 0 n V p > V n E b) V p = V n p E 0 n ione negativo dell impurità trivalente c) p E 0 n ione positivo dell impurità pentavalente lacuna V p < V n E elettrone Figura 10. (a) Diodo in polarizzazione diretta; (b) diodo non polarizzato; (c) diodo in polarizzazione inversa. i corrente diretta corrente inversa 0 V Figura 11. La curva caratteristica di un diodo a giunzione. Se invece la differenza di potenziale V applicata agli elettrodi del diodo è tale da aumentare il potenziale del cristallo di tipo p e diminuire quello del cristallo di tipo n, si dice che il diodo subisce una polarizzazione diretta (figura 10.a). La differenza di potenziale attraverso la giunzione pn si riduce da V 0 a V 0 V, la larghezza della regione di svuotamento diminuisce, la corrente di diffusione i dif aumenta e il diodo è attraversato da una corrente diretta i = i dif i der nel verso che va dal cristallo di tipo p al cristallo di tipo n. Se poi la differenza di potenziale V applicata agli elettrodi del diodo viene resa maggiore della differenza di potenziale V 0,

11 F.249 allora la barriera di potenziale presente attraverso la giunzione pn viene annullata e i portatori di carica presenti nei due cristalli possono migrare liberamente, per effetto del campo elettrico E presente in tutto il cristallo: l intensità della corrente aumenta quindi esponenzialmente con la differenza di potenziale applicata, come mostra il ramo di destra della curva caratteristica rappresentata nella figura 11. In pratica, trascurando la debolissima corrente inversa presente quando il diodo è polarizzato inversamente, si può dire che il diodo permette il passaggio della corrente in una sola direzione, quella che va dal cristallo di tipo p al cristallo di tipo n. Per questo il diodo è utilizzato nei circuiti elettrici come raddrizzatore di corrente. Consideriamo il circuito rappresentato nella figura 12, nel quale il generatore produce una differenza di potenziale alternata V in con un andamento sinusoidale come quello rappresentato nella figura 13.a. Poiché il diodo si oppone al passaggio della corrente elettrica quando è polarizzato inversamente, la corrente elettrica che lo attraversa avrà l andamento rappresentato nella figura 13.b, composto da impulsi di corrente in corrispondenza degli intervalli di tempo nei quali il diodo è polarizzato direttamente. V in V out Figura 12. Circuito raddrizzatore composto da un generatore di tensione alternata, un resistore e un diodo, rappresentato dal simbolo composto da una freccia triangolare e una barretta verticale. 1,5 V 1 in 1,5 V out 1 0,5 0,5 a) b) 0 0 0,5 1 1, t 0,5 1 1, t Figura 13. a) Differenza di potenziale V in in entrata nel circuito della figura 12, in funzione del tempo; b) differenza di potenziale V out in uscita. Normalmente viene utilizzato come raddrizzatore di corrente un circuito più complesso, composto da quattro diodi disposti in modo da formare un ponte di diodi come indicato nella figura 14. È possibile ottenere allora attraverso il conduttore C una corrente elettrica che ha l andamento rappresentato nella figura 15.b, composta da impulsi di corrente che si susseguono senza interruzioni.

12 F.250 V in V out Figura 14. Raddrizzatore a ponte di diodi. 1,5 V 1 in 1,5 V out 1 0,5 a) b) 0 0,5 0 0,5 1 1, t 0,5 1 1, t Figura 15. a) Differenza di potenziale V in in entrata nel circuito della figura 14, in funzione del tempo; b) differenza di potenziale V out in uscita. La cella fotovoltaica La giunzione pn è l elemento fondamentale per la realizzazione di celle fotovoltaiche che permettono la conversione diretta di energia luminosa in energia elettrica. Una cella fotovoltaica è costituita da un cristallo di silicio di tipo n dello spessore di circa 1 mm ricoperto da un sottile strato di silicio di tipo p dello spessore di circa 0,5 micron (figura 16). Lo strato di silicio di tipo p è esposto alla luce. Poiché ogni fotone luminoso ha un energia superiore all energia dei legami covalenti del cristallo di silicio, pari a 1,1 V, l esposizione alla luce provoca nello straterello superficiale di silicio la formazione di coppie di elettroni e lacune. Gli elettroni così prodotti nella regione di tipo p vengono immediatamente spinti verso la giunzione dal campo elettrico E 0 lì presente. produce quindi un eccesso di cariche elettriche negative nella regione di tipo n e un eccesso di cariche elettriche positive nella regione di tipo p, a cui corrisponde una differenza di potenziale di circa 0,6 V. Se le due parti della giunzione sono collegate tramite un circuito esterno in esso fluisce una corrente elettrica la cui intensità risulta proporzionale all intensità della luce incidente.

13 F.251 La cella fotovoltaica permette quindi di produrre direttamente energia elettrica a partire dall energia luminosa solare, senza inquinamento di alcun tipo. Il suo rendimento è però basso (tra il 10 e il 15 per cento) mentre il costo di produzione è elevato, specialmente nel caso di impianti con grandi superfici che permettano di ottenere potenze elevate. Per questo l uso delle celle fotovoltaiche al silicio è limitato a casi particolari, come i satelliti artificiali o gli impianti di comunicazione installati in località remote. luce semiconduttore di tipo p semiconduttore di tipo n R Figura 16. Cella fotovoltaica. Figura 17. Il telescopio spaziale Hubble con i suoi due pannelli di celle fotovoltaiche, fotografato dallo Space Shuttle durante un operazione di manutenzione. Figura 18. Cella fotovoltaica utilizzata per l'alimentazione di una stazione meteorologica in una località di alta montagna.

14 F Il transistor Il transistor è il componente fondamentale di tutti i moderni circuiti elettronici. È stato inventato nel 1948 da John Bardeen ( ) e Walter H. Brattain ( ) mentre il suo principio di funzionamento fu chiarito l anno successivo da William Shockley ( ). 1 Essi chiamarono questo componente elettronico transferresistor, poi abbreviato in transistor, perché esso trasferisce una corrente attraverso un conduttore ad alta resistenza elettrica. Esistono due tipi di transistor: il transistor a giunzione e il transistor a effetto di campo. In entrambi i casi si tratta di dispositivi a stato solido dotati di tre terminali metallici: una piccola variazione del potenziale di uno di essi, chiamato base, provoca una grande variazione della corrente presente tra gli altri due elettrodi, chiamati rispettivamente emettitore e collettore. Figura 19. Diversi tipi di transistor. Il transistor a giunzione Il transistor a giunzione di tipo npn è costituito da un sottile strato di semiconduttore di tipo p, con uno spessore dell ordine di 10 2 mm, racchiuso tra due cristalli di semiconduttore di tipo n. A ciascuno dei tre semiconduttori è collegato un elettrodo metallico: la base al semiconduttore centrale, l emettitore e il collettore agli altri due semiconduttori. Il transistor di tipo pnp è analogo al transistor di tipo npn, tranne che la base è un semiconduttore di tipo n, mentre emettitore e collettore sono semiconduttori di tipo p. Consideriamo un transistor npn inserito in un circuito come quello rappresentato nella figura 20.a. L emettitore è mantenuto a un potenziale V e minore del 1 Bardeen, Brattain e Shockley ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 1956 per l invenzione del transistor. Bardeen ricevette un secondo premio Nobel nel 1972 per la spiegazione della superconduttività nei metalli.

15 F.253 potenziale V b della base, mentre il collettore è mantenuto a un potenziale V c più grande. La differenza di potenziale tra la base e l emettitore fa sì che gli elettroni presenti nell emettitore si diffondano nella base. Parte di questi elettroni vengono raccolti dall elettrodo collegato alla base, che è percorso dalla corrente di base i b. A causa del piccolo spessore della base, però, la maggior parte degli elettroni che dall emettitore diffondono nella base raggiungono il collettore e vengono raccolti dall elettrodo collegato ad esso, che è percorso dalla corrente di collettore i c. Naturalmente la corrente i e che percorre l emettitore è la somma delle due correnti i b e i c : i e = i b i c (1) Se si fosse considerato invece un transistor di tipo pnp le polarità del circuito sarebbero risultate invertite rispetto a quelle indicate nella figura 20.a mentre i portatori di carica all interno del cristallo sarebbero stati principalmente lacune anziché elettroni. a) e b c n p n b) e b c p n p e c e c i e b i c i e b i c i b i b V e V b V c V e V b V c Figura 20. (a) Rappresentazione schematica e simbolo utilizzato per rappresentare un transistor npn con lo schema dei potenziali e delle correnti; (b) lo stesso per un transistor pnp. I simboli e, c e b stanno rispettivamente per emettitore, collettore e base. Nel realizzare un transistor si fa in modo che la corrente di base sia molto piccola rispetto alla corrente raccolta dal collettore, per esempio 100 volte minore. Se si varia di poco l intensità della corrente che percorre la base, si ottiene allora una grande variazione della corrente che attraversa il collettore: quindi il transistor è in grado di amplificare piccole variazioni della corrente i b che percorre la base. Supponiamo allora che in certe condizioni le correnti i b e i c e la differenza di potenziale V c V e abbiano ben determinati valori. Se si fa variare la corrente di

16 F.254 base i b di una quantità i b mantenendo fissa la differenza di potenziale V c V e, si ottiene una variazione i c della corrente i c che percorre il collettore. Il rapporto β = i i c b (2) si dice fattore di amplificazione (in corrente) del transistor. Le curve caratteristiche di un transistor Consideriamo le curve caratteristiche di un transistor in un caso concreto. Le figure 21 e 22 mostrano rispettivamente una curva caratteristica d ingresso e le curve caratteristiche di uscita di un transistor di tipo npn noto commercialmente con la sigla BCW82. Le curve caratteristiche d ingresso di un transistor rappresentano la corrente di base i b in funzione della differenza di potenziale V b V e tra la base e l emettitore, per valori dati della differenza di potenziale V c V e tra il collettore e l emettitore. Esse sono simili a quella di un diodo: la giunzione pn tra l emettitore e la base può infatti essere attraversata da un flusso di portatori di carica solo in un verso, e l intensità di questa corrente aumenta rapidamente quando viene superata la differenza di potenziale di circa 0,6 V necessaria per eliminare la barriera di potenziale presente attraverso la giunzione. Le curve caratteristiche di uscita rappresentano invece la corrente i c che attraversa il collettore in funzione della differenza di potenziale V c V e tra il collettore e l emettitore, per valori dati della corrente di base i b. In ogni caso, la corrente i c che percorre il collettore aumenta dapprima all aumentare della differenza di potenziale V c V e, e si mantiene poi praticamente costante quando si supera una differenza di potenziale di circa 0,6 V. i b (ma) 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1,0 V b V e (V) Figura 21. Curva caratteristica d ingresso di un transistor BCW82, per una differenza di potenziale V c V e = 5 V.

17 F.255 i c (ma) 10 8 i b = 30 µ A i b = 25 µ A i b = 20 µ A i b = 15 µ A i b = 10 µ A i b = 5 µ A 0 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 V c V e (V) Figura 22. Curve caratteristiche di uscita di un transistor BCW82. Come si spiega questo comportamento del transistor? Perché si possa avere un flusso significativo di elettroni tra l emettitore e la base è necessario sia superata la barriera di potenziale presente attraverso la giunzione pn che divide l emettitore dalla base. La base si deve quindi trovare a un potenziale V b almeno 0,6 V superiore al potenziale V e dell emettitore. Se si dà questa condizione, a causa del piccolo spessore della base si ha anche una diffusione di elettroni nel collettore attraverso la giunzione pn che divide la base dal collettore. Ma se la differenza di potenziale V c V e tra collettore ed emettitore è minore di 0,6 V, allora il collettore si trova a un potenziale V c minore del potenziale V b della base e gli elettroni che diffondono in esso vengono respinti. Solo quando il potenziale V c del collettore è più elevato del potenziale V b della base, allora tutti gli elettroni che vi si diffondono vengono raccolti e si ha una corrente i c di intensità costante attraverso il collettore. Il transistor come amplificatore Consideriamo ora il transistor utilizzato come amplificatore. In questo caso la differenza di potenziale V b V e tra la base e l emettitore viene mantenuta a un valore di circa 0,7 V, in modo che, come risulta dalla curva caratteristica d ingresso, si abbia una corrente di base i b di qualche decina di microampere. La differenza di potenziale V c V e tra collettore ed emettitore viene invece mantenuta a un valore superiore a 1 V, in modo che il transistor si trovi a operare nella regione in cui le curve caratteristiche di uscita sono praticamente orizzontali. Una piccola variazione i b della corrente dei base dà luogo allora a una grande variazione i c della corrente nel collettore. Dalla figura 23 si vede che per questo tipo di transistor si ha allora un fattore di amplificazione pari circa a 300: a una variazione della corrente di base i b = 5 µa, per esempio, corrisponde una variazione della corrente di collettore i c = 1,5 ma, in modo che β = i i c b = 1,5 ma 5 µ A = 300

18 F.256 i c (ma) 10 8 i b = 30 µ A i b = 25 µ A 6 i b = 20 µ A i b = 15 µ A i c = 1,5 ma 4 i b = 10 µ A i b = 5 µ A 2 i b = 5 µ A 0 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 V c V e (V) Figura 23. Calcolo del fattore di amplificazione di un transistor. Il transistor utilizzato come amplificatore costituisce l elemento fondamentale dei circuiti di amplificazione di cui sono dotati gli apparecchi radio o i riproduttori di nastri magnetici: in questo caso il sistema di amplificazione è costituito da molti stadi nei quali l uscita di uno diviene l ingresso del successivo, in modo che il debole segnale elettrico prodotto, per esempio, dalla testina magnetica di un registratore a nastro può essere così amplificato e inviato a un sistema di altoparlanti di grande potenza. tuazioni come quella appena descritta, nella quale i valori dei potenziali elettrici e delle correnti presenti nei circuiti possono variare con continuità assumendo qualsiasi valore, costituiscono il campo di studio dell elettronica analogica. Il transistor come interruttore La realizzazione dei computer e di molti altri dispositivi di cui facciamo uso quotidianamente è stata possibile grazie allo sviluppo dell elettronica digitale, nella quale il potenziale elettrico presente nei vari punti del circuito può assumere solo due valori: alto o basso, rappresentati da 1 e 0, o VERO e FALSO. Solitamente un potenziale elettrico inferiore a 0,5 V indica 0 o FALSO, mentre un potenziale elettrico pari a 5 V indica 1 o VERO. All interno di un computer i segnali elettrici corrispondenti ai valori 0 o 1 vengono manipolati in modo da realizzare operazioni secondo una logica binaria. Gli elementi fondamentali di questi circuiti sono le cosiddette porte logiche, ossia circuiti che forniscono un segnale di uscita in risposta a una combinazione di uno o due segnali di entrata. La porta logica più semplice da realizzare e a partire dalla quale si possono costruire tutti gli altri tipi di porte logiche è la cosiddetta porta NAND. L uscita di una porta NAND è pari a 0 solo se entrambi gli ingressi sono 1, ed è pari a 1 in caso contrario. Una porta NAND può essere realizzata utilizzando due transistor come interruttori, secondo lo schema mostrato nella figura 24. Supponiamo che uno dei potenziali di entrata V A o V B sia minore di 0,5 V. La corrente di base i b del corri

19 F.257 spondente transistor è quindi nulla, come si ricava dalla curva caratteristica d ingresso riportata nella figura 21. È quindi nulla anche la corrente i c tra l emettitore e il collettore del transistor. Il transistor si comporta allora come un interruttore aperto e il potenziale di uscita V out della porta è uguale al potenziale V cc = 5 V con cui il circuito è alimentato: il segnale in uscita corrisponde quindi a 1. Se invece entrambi i potenziali di entrata V A e V B sono pari a 5 V, allora sono diverse da zero le correnti di base i b di entrambi i transistor, che sono attraversati tra emettitore e collettore da una corrente i c di intensità non trascurabile. I due transistor si comportano come due interruttori chiusi. Poiché la loro resistenza elettrica è molto minore di quella del resistore R posto tra il potenziale di alimentazione V cc e il potenziale di uscita V out, il valore di quest ultimo risulterà molto basso: il segnale in uscita corrisponde quindi a 0. V cc R V out V A b c e V B b c e Figura 24. Porta NAND realizzata con due transistor usati come interruttori. Le porte logiche In matematica si parla di operazioni logiche quando si opera su variabili (dette proposizioni ) i cui valori possono essere VERO o FALSO (1 o 0). La più semplice tra queste operazioni è la negazione (NOT) la negazione di una proposizione vera è una proposizione falsa, e viceversa la negazione di una proposizione falsa è una proposizione vera. Il risultato delle operazioni logiche può essere espresso da una tabella detta tavola di verità, che nel caso della negazione (tabella 1) ha una entrata (input) e una uscita (output): al valore 0 in entrata corrisponde il valore 1 in uscita, e viceversa al valore 1 in entrata corrisponde il valore 0 in uscita.

20 F.258 Tabella 1. Tavola di verità per l operazione NOT. Input Output Vi sono diverse operazioni logiche che compongono due diverse proposizioni. Tra di esse vi sono le seguenti. Congiunzione (AND): la congiunzione di due proposizioni è vera solo se entrambe sono vere. Disgiunzione (OR): la disgiunzione di due proposizioni è falsa solo se entrambe sono false. Negazione alternativa (NAND): la negazione alternativa di due proposizioni è falsa solo se entrambe sono vere: Negazione congiunta (NOR): la negazione congiunta di due proposizioni è vera solo se entrambe sono false. Disgiunzione esclusiva (XOR): la disgiunzione esclusiva di due proposizioni è vera solo se una sola di esse è vera. La tavole di verità per queste quattro operazioni logiche sono mostrate nella tabella 2. Tabella 2. Tavole di verità per operazioni logiche a due entrate. Input A Input B Output AND OR NAND NOR XOR Tutte queste operazioni logiche possono essere realizzate da circuiti elettronici detti porte logiche. Abbiamo già visto come è possibile, per esempio, realizzare una porta logica NAND con due transistor usati come interruttori. Negli schemi dei circuiti elettronici le porte logiche corrispondenti alle operazioni che abbiamo qui elencato sono rappresentate dai simboli mostrati nella seconda colonna della tabella 3. A partire da porte logiche NAND si possono realizzare tutti gli altri tipi di porte logiche, come è mostrato nella terza colonna della tabella 3 (queste costruzioni si possono facilmente verificare utilizzando le tavole di verità riportate nella tabella 2): la porta logica NOT si costruisce collegando le due entrate di una porta NAND e usandole come un unica entrata;

21 F.259 la porta logica AND si costruisce collegando una porta NOT all uscita di una porta NAND; la porta logica OR si costruisce collegando una porta NOT a ciascuna delle entrate di una porta NAND; la porta logica NOR si costruisce collegando una porta NOT all uscita di una porta OR; la porta logica XOR si costruisce con una combinazione di quattro porte NAND. Tabella 3. mboli per le porte logiche Porta NAND NOT input A input B input mbolo output output input output AND input A output input B OR input A output input B input A input B input A output output input B NOR input A output input B XOR input A output input B input A input B input A output output input B 4. Circuiti integrati e microprocessori Lo sviluppo dell elettronica è stato caratterizzato da una crescente miniaturizzazione dei circuiti. Ciò è stato reso possibile dalla sviluppo di tecniche che hanno permesso di realizzare circuiti completi sulla superficie di un singolo cristallo di silicio. Il componente fondamentale di questi circuiti è il transistor a effetto di campo. Il transistor a effetto di campo Un transistor a effetto di campo è costituito da un dischetto di materiale semiconduttore di tipo p nel quale sono state realizzate due zone di materiale di tipo n che costituiscono l emettitore e il collettore del transistor (figura 25). Queste due zone sono collegate da uno stretto canale di materiale di tipo n. Sulla superficie del semiconduttore è depositato uno strato isolante di ossido di silicio, attraversato da due elettrodi metallici in corrispondenza dell emettitore e del collettore. Un altro

22 F.260 elettrodo metallico, che costituisce la base del transistor, è depositato sopra lo strato isolante in corrispondenza del canale che unisce emettitore e collettore. V b V c metallo e b c isolante semiconduttore p semiconduttore n giunzione pn canale Figura 25. Schema di transistor a emissione di campo. In un transistor di questo tipo l intensità della corrente che attraversa il canale tra l emettitore e il collettore è controllata dal potenziale della base. Supponiamo che il substrato semiconduttore e l emettitore siano messi a terra (V e = 0) e che il collettore sia mantenuto a un potenziale positivo V c, per esempio V c = 10 V. Supponiamo poi che il potenziale della base sia nullo: V b = 0. Tra il canale di materiale di tipo n e il sottostante substrato di materiale di tipo p si ha una giunzione pn, con una regione di svuotamento che limita la sezione del canale e quindi l intensità della corrente che può percorrerlo. Portiamo ora la base a un potenziale positivo rispetto al substrato semiconduttore e all emettitore, per esempio V b = 1 V. La base e il sottostante canale semiconduttore si comportano come le due armature di un condensatore, separate dallo strato isolante di ossido di silicio: il canale acquista quindi un potenziale negativo V b opposto a quello della base, si ha polarizzazione diretta della giunzione con una riduzione della larghezza della regione di svuotamento e un conseguente aumento della sezione effettiva del canale: la resistenza elettrica del canale diminuisce e l intensità della corrente che attraversa il transistor aumenta. 2 Se invece la base viene portata a un potenziale V b negativo rispetto al substrato semiconduttore e all emettitore, il canale acquista un potenziale positivo opposto a quello della base e si ha polarizzazione inversa della giunzione con una aumento della larghezza della regione di svuotamento e una conseguente diminuzione della sezione effettiva del canale: la resistenza elettrica del canale aumenta e l intensità della corrente che attraversa il transistor diminuisce. Quindi una piccola variazione del potenziale V b della base dà luogo a una considerevole variazione dell intensità della corrente tra l emettitore e il collettore, in modo analogo a come nel transistor a giunzione una piccola variazione nell intensità della corrente di base i b dà luogo a una variazione considerevole dell intensità della corrente di collettore i c. 2 I dati utilizzati in questo esempio si riferiscono al transistor noto commercialmente come 2N3797. In questo caso la corrente i c passa da 3,0 ma per V b = 0 a 5,5 ma per V b = 1 V.

23 F.261 Figura 26. Un wafer di silicio. Il circuito integrato La realizzazione di transistor a effetto di campo di piccolissime dimensioni è stata resa possibile dallo sviluppo di una tecnica di tipo fotochimico. parte da un cristallo di silicio drogato di tipo p, che viene tagliato a fette in modo da realizzare sottili dischetti che costituiranno il substrato del circuito, e si procede secondo una serie di passi successivi: 1) si ossida la superficie del silicio, in modo da formare uno strato isolante uniforme di ossido di silicio (O 2); 2) si asporta l ossido di silicio dalla zona corrispondente al canale che congiungerà l emettitore e il collettore; 3) si espone la superficie del cristallo a un atmosfera di atomi del donatore per un tempo sufficiente perché questi diffondano nel silicio formando il canale di materiale di tipo n; 4) si ricopre nuovamente il cristallo con ossido di silicio; 5) si asporta l ossido di silicio dalle zone corrispondenti all emettitore e al collettore; 6) si espone nuovamente il cristallo, per un tempo più lungo, all atmosfera di atomi del donatore, in modo da formare le regioni di tipo n corrispondenti all emettitore e al collettore; 7) si ricopre la superficie del cristallo con uno straterello di alluminio; 8) si asportano infine delle striscioline di alluminio in modo da lasciare i tre elettrodi del transistor isolati uno dall altro. Per asportare materiale da piccole aree ben delimitate si disegnano, ingrandite, le varie parti del circuito in bianco e nero e si realizza una pellicola fotografica nella quale le aree da asportare nelle diverse fasi della lavorazione risultino nere. Ogni volta si ricopre la superficie del cristallo di silicio con una pellicola di una

24 F.262 sostanza, analoga a quella utilizzata nelle pellicole fotografiche, che ha la proprietà di non essere più solubile a un opportuno bagno di sviluppo una volta esposta alla luce. proietta poi l immagine del circuito, rimpicciolita, sulla superficie del cristallo, si asporta la sostanza fotosensibile dalle zone che non sono state illuminate, e si attaccano quindi chimicamente con un acido le zone del cristallo che non sono protette dalla pellicola fotosensibile, la quale viene asportata al termine del processo. In questo modo è possibile produrre contemporaneamente sulla superficie di un unico cristallo di silicio un grande numero di componenti elettronici di piccolissime dimensioni: non solo transistor, ma anche diodi, resistori e condensatori, oltre a tutte le connessioni tra i diversi componenti. ottiene così un circuito integrato, ossia un circuito realizzato su un unica lastrina, o chip, di silicio. Figura 27. Un esempio di circuito integrato degli anni 60. I microprocessori I comuni circuiti integrati sono progettati per realizzare ciascuno una sola funzione. Lo sviluppo dei computer è stato però possibile grazie alla realizzazione di circuiti programmabili, capaci di funzionare in modo estremamente versatile in risposta a specifiche sequenze di istruzioni o programmi. I circuiti integrati di questo tipo sono detti microprocessori. Nel 1969 un industria giapponese di computer chiese all azienda americana Intel, specializzata nella realizzazione di circuiti integrati, di realizzare una serie di cinque circuiti integrati da utilizzare in differenti macchine. Gli ingegneri della Intel, tra i quali ebbe un ruolo importante l italiano Federico Faggin, decisero di realizzare un unico circuito integrato che potesse essere programmato per svolgere le funzioni di tutti i cinque circuiti richiesti. Nacque così nel gennaio 1971 l Intel 4004, il primo microprocessore, funzionante alla frequenza di 108 khz. A partire da allora sono stati realizzati microprocessori sempre più complessi e più veloci. È stato possibile raddoppiare la densità di componenti elettronici per unità di superficie all incirca ogni anno, fino ad arrivare a microprocessori come per esempio il PentiumIV della Intel, prodotto a partire dal 2002, funzionante alla frequenza di 2,8 GHz

25 F.263 e contenente su un unico chip di silicio 42 milioni di transistor ognuno dei quali ha una dimensione di 0,13 micron. Figura 28. Il PentiumIV, microprocessore realizzato nel 2002 contenente 42 milioni di transistor. Figura 29. Ingrandimento di un transistor del microprocessore PentiumIV. Le dimensioni del transistor sono di 0,13 micron, mentre la larghezza dei contatti metallici è di 0,06 micron.

26 F.264 Punti fondamentali Il passaggio della corrente elettrica nei materiali semiconduttori (per esempio il silicio) è dovuto sia al moto degli elettroni di conduzione sia al moto delle lacune, ossia dei posti lasciati liberi nel reticolo cristallino dagli elettroni di conduzione. La densità di portatori di carica in un semiconduttore e quindi la sua resistività può essere variata drogando il semiconduttore con piccole quantità di impurità: atomi donatori per ottenere semiconduttori di tipo n o atomi accettori per ottenere semiconduttori di tipo p. (Paragrafo 1) Attraverso una giunzione pn, ossia la superficie di contatto tra un semiconduttore di tipo p e un semiconduttore di tipo n, si stabilisce, per la diffusione dei portatori di carica di diverso segno, una differenza di potenziale dell ordine di una frazione di volt. La giunzione pn costituisce un diodo che permette il passaggio della corrente elettrica in un solo senso, quello che va dal semiconduttore di tipo p al semiconduttore di tipo n. (Paragrafo 2) I transistor sono particolari combinazioni di semiconduttori di tipo p e di tipo n con tre terminali: base, emettitore e collettore. Una piccola variazione dell intensità della corrente che percorre la base (transistor a giunzione) o del potenziale elettrico della base (transistor a effetto di campo) provoca una grande variazione dell intensità della corrente tra l emettitore e il collettore. I transistor possono essere utilizzati nei circuiti elettronici come amplificatori o come interruttori. (Paragrafo 3) La combinazione di più transistor permette di realizzare circuiti elettronici che realizzano operazioni logiche. Questi circuiti sono l elemento fondamentale dei microprocessori programmabili su cui si basa il funzionamento dei calcolatori elettronici. (Paragrafi 3 e 4) Formule da ricordare Fattore di amplificazione del transistor: i c β = (2) i b mbolo Grandezza Unità SI β fattore di amplificazione i c corrente di collettore A i b corrente di base A Glossario Accettore: atomo trivalente che, inserito in un semiconduttore, tende e ricevere un elettrone rendendo il semiconduttore di tipo p (acceptor). Cella fotovoltaica: dispositivo a stato solido che permette la conversione diretta di energia luminosa in energia elettrica (photovoltaic cell). Circuito integrato: circuito elettronico contenete diversi transistor e altri componenti realizzato su un unico chip di silicio (integrated circuit). Diodo a giunzione: dispositivo a stato solito costituito da due cristalli semiconduttori separati da una giunzione pn (diode). Dispositivo a stato solido: componente di un circuito elettronico nel quale il flusso della corrente avviene all interno di un materiale semiconduttore (solid state device).