Come funziona l'elettronica: nozioni di base sui semiconduttori

La tecnologia moderna è resa possibile da una classe di materiali chiamati semiconduttori. Tutti i componenti attivi, integrati circuiti, microchip, transistor e molti sensori sono costruiti con materiali semiconduttori.

Sebbene il silicio sia il materiale semiconduttore più utilizzato nell'elettronica, viene utilizzata una gamma di semiconduttori, tra cui germanio, arseniuro di gallio, carburo di silicio e semiconduttori organici. Ciascun materiale presenta vantaggi come il rapporto costo/prestazioni, il funzionamento ad alta velocità, la tolleranza alle alte temperature o la risposta desiderata a un segnale.

Semiconduttori

I semiconduttori sono utili perché gli ingegneri controllano le proprietà elettriche e il comportamento durante il processo di produzione. Le proprietà dei semiconduttori sono controllate aggiungendo piccole quantità di impurità nel semiconduttore attraverso un processo chiamato doping. Impurità e concentrazioni diverse producono effetti diversi. Controllando il drogaggio, è possibile controllare il modo in cui la corrente elettrica si muove attraverso un semiconduttore.

In un tipico conduttore, come il rame, gli elettroni trasportano la corrente e agiscono come portatori di carica. Nei semiconduttori, sia gli elettroni che le lacune (assenza di un elettrone) agiscono come portatori di carica. Controllando il drogaggio del semiconduttore, la conduttività e il portatore di carica sono adattati per essere basati su elettroni o lacune.

Esistono due tipi di doping:

• I droganti di tipo N, tipicamente fosforo o arsenico, hanno cinque elettroni che, se aggiunti a un semiconduttore, forniscono un elettrone libero in più. Poiché gli elettroni hanno una carica negativa, un materiale drogato in questo modo è chiamato di tipo N.
• I droganti di tipo P, come il boro e il gallio, hanno tre elettroni, il che comporta l'assenza di un elettrone nel cristallo semiconduttore. Questo crea un buco o una carica positiva, da cui il nome di tipo P.

Sia i droganti di tipo N che quelli di tipo P, anche in quantità minime, rendono un semiconduttore un conduttore decente. Tuttavia, i semiconduttori di tipo N e di tipo P non sono speciali e sono solo conduttori decenti. Quando questi tipi vengono posti in contatto tra loro, formando una giunzione P-N, un semiconduttore assume comportamenti diversi e utili.

Il diodo a giunzione P-N

UN Giunzione P-N, a differenza di ogni materiale separatamente, non si comporta come un conduttore. Invece di consentire alla corrente di fluire in entrambe le direzioni, una giunzione P-N consente alla corrente di fluire in una sola direzione, creando un diodo di base.

L'applicazione di una tensione attraverso una giunzione P-N nella direzione in avanti (polarizzazione in avanti) aiuta gli elettroni nella regione di tipo N a combinarsi con i fori nella regione di tipo P. Tentativo di invertire il flusso di corrente (polarizzazione inversa) attraverso il diodo separa gli elettroni e le lacune, impedendo alla corrente di fluire attraverso la giunzione. La combinazione di giunzioni P-N in altri modi apre le porte ad altri componenti a semiconduttore, come il transistor.

Transistor

Un transistor di base è costituito dalla combinazione della giunzione di tre materiali di tipo N e di tipo P anziché i due utilizzati in un diodo. La combinazione di questi materiali produce i transistor NPN e PNP, noti come transistor a giunzione bipolare (BJT). La regione centrale, o base, BJT consente al transistor di agire come interruttore o amplificatore.

I transistor NPN e PNP sembrano due diodi posizionati uno dietro l'altro, che bloccano il flusso di tutta la corrente in entrambe le direzioni. Quando lo strato centrale è polarizzato in avanti in modo che una piccola corrente fluisca attraverso lo strato centrale, il le proprietà del diodo formato con lo strato centrale cambiano per consentire a una corrente più grande di fluire attraverso il intero dispositivo. Questo comportamento dà a un transistor la capacità di amplificare piccole correnti e agire come un interruttore che accende o spegne una sorgente di corrente.

Molti tipi di transistor e altri dispositivi a semiconduttore derivano dalla combinazione di giunzioni P-N in diversi modi, dai transistor avanzati con funzioni speciali ai diodi controllati. Di seguito sono riportati alcuni dei componenti realizzati da attente combinazioni di giunzioni P-N:

• DIAC
• Diodo laser
• Diodo ad emissione luminosa (GUIDATO)
• Diodo Zener
• Transistor Darlington
• Transistor ad effetto di campo (inclusi MOSFET)
• Transistor IGBT
• Raddrizzatore controllato al silicio
• Circuito integrato
• Microprocessore
• Memoria digitale (RAM e ROM)

Sensori

Oltre al controllo corrente consentito dai semiconduttori, i semiconduttori hanno anche proprietà che rendono i sensori efficaci. Questi possono essere resi sensibili ai cambiamenti di temperatura, pressione e luce. Una variazione di resistenza è il tipo più comune di risposta per un sensore semiconduttivo.

I tipi di sensori resi possibili dalle proprietà dei semiconduttori includono:

• Sensore ad effetto Hall (sensore di campo magnetico)
• Termistore (sensore di temperatura resistivo)
• CCD/CMOS (sensore di immagine)
• Fotodiodo (sensore di luce)
• Fotoresistenza (sensore di luce)
• Piezoresistivo (sensori di pressione/deformazione)