Nella precedente puntata del corso di elettronica abbiamo concluso la prima parte dell’argomento sugli Amplificatori Operazionali eseguendo alcune esercitazioni teoriche sull’amplificatore invertente e non invertente. Poi, abbiamo descritto sinteticamente gli amplificatori operazionali in cascata di cui è stata fatta un’esercitazione dove abbiamo visto come calcolare la tensione di uscita e l’amplificazione di tensione di un circuito con due stadi amplificatori operazionali in cascata. Più avanti, nel corso, riapriremo e approfondiremo l’argomento sugli amplificatori operazionali esplorando ulteriori caratteristiche e parametri di funzionamento di questi importanti dispositivi elettronici. Con questo articolo, introdurremo un altro importante dispositivo elettronico: il diodo a semiconduttore. Quindi, da qui inizieremo una nuova fase di studio dedicata ad importantissimi protagonisti dello scenario dell’elettronica dei semiconduttori: diodi, transistor, FET, MOSFET.
Introduzione - Struttura atomica del silicio
Per comprendere cos’è e come funziona un diodo a semiconduttore è necessario analizzarlo dal punto di vista del comportamento fisico. In questa trattazione, si assume che il materiale semiconduttore sia il silicio. Il silicio è il materiale semiconduttore più importante utilizzato per la fabbricazione di dispositivi elettronici. L’atomo di silicio ha 14 elettroni ed ha valenza 4, ovvero nell’ultima orbita dell’atomo ci sono quattro elettroni. Questi elettroni di un atomo di silicio sono utilizzati per legare altri quattro atomi di silicio vicini mediante legami covalenti, ovvero ogni atomo di silicio è associato ad altri quattro atomi di silicio mediante lo stretto legame di quattro coppie di elettroni. In questo modo, il silicio assume una struttura atomica cristallina tridimensionale a forma di tetraedro. Nella Figura 1, per semplificare l’analisi viene riportata la struttura cristallina del silicio in due dimensioni.
Figura 1: Struttura atomica bidimensionale del cristallo di silicio
Nello schema di Figura 1 l’atomo di silicio è rappresentato da un cerchio con all’interno il valore di carica del nucleo, mentre i quattro piccoli pallini neri rappresentano i quattro elettroni di valenza dell’atomo. Questa struttura atomica è considerata valida idealmente quando il silicio è ad una temperatura di -273,15 °C (o 0° Kelvin), temperatura per la quale tutti i legami covalenti sono formati e fissati, quindi non ci sono elettroni liberi né lacune, e il semiconduttore si comporta come un isolante. Come accennato sopra, ogni atomo di silicio mette a disposizione i suoi quattro elettroni di valenza per legarsi con quattro atomi vicini formando coppie di elettroni che realizzano il legame covalente. Nella condizione di atomo neutro, il numero di elettroni (numero atomico) è uguale al numero dei protoni del nucleo dell’atomo; nell’atomo di silicio il numero di elettroni è 14 a cui corrispondono 14 protoni, quindi nello stato neutro l’atomo ha carica pari a 0. E’ da ricordare che un atomo che ha una carica diversa da 0 è uno ione, che può essere positivo se il numero di protoni è maggiore del numero di elettroni, mentre è negativo se avviene il contrario. Il numero positivo +4 rappresenta la carica positiva costituita dai protoni, neutralizzata dalla corrispondente carica negativa dei 4 elettroni di valenza, come è indicato nei simboli degli atomi del reticolo cristallino di silicio mostrato in Figura 1.
Il ruolo delle lacune nella conduttività del semiconduttore
Un altro importante aspetto da approfondire è il ruolo delle lacune nella conduttività del semiconduttore, ossia cosa s’intende esattamente per “corrente di lacune”. Quando la temperatura a cui è sottoposto il cristallo di silicio inizia a crescere, per esempio a temperatura ambiente, i legami covalenti possono spezzarsi perché l’elettrone riceve energia termica sufficiente per farlo distaccare dal legame covalente. Quindi, l’elettrone è libero di muoversi nel cristallo lasciando al suo posto una posizione vuota: la lacuna. La lacuna, a sua volta, può essere occupata da un altro elettrone liberatosi dal legame covalente di un atomo vicino che, a sua volta, crea una lacuna al posto che era occupato dall’elettrone. Quindi, durante il percorso degli elettroni in una certa direzione, si avrà uno spostamento di lacune nella direzione opposta a quella degli elettroni. Nella Figura 2 è schematizzato il concetto sopra esposto.
Figura 2: Movimento degli elettroni e delle lacune
La Figura 2 descrive schematicamente il movimento degli elettroni e il corrispondente spostamento delle lacune. Seguendo lo schema di Figura 2 partendo dalla riga in alto dei legami covalenti, possiamo notare il legame covalente 3 spezzato in cui è presente una posizione vuota, la lacuna, per l’assenza dell’elettrone che formava il legame covalente. L’elettrone 4 libero di muoversi proveniente dal legame covalente 4 spezzato, va ad occupare la lacuna del legame covalente 3. Nel legame covalente 4, la lacuna creatasi per l’assenza dell’elettrone 4 viene occupata dall’elettrone 5 libero dal legame covalente 5. La lacuna del legame covalente 5 creatasi dall’abbandono dell’elettrone 5 viene occupata dall’elettrone 6 proveniente dal legame covalente 6. In definitiva, da questo esempio schematico possiamo rilevare che mentre gli elettroni avanzano da sinistra a destra, le lacune si muovono (in realtà si spostano di posizione) da destra a sinistra. Quindi, in questo processo sono in gioco due correnti: la corrente di elettroni e la corrente di lacuna di opposte direzioni. Dal punto di vista della carica elettrica, e quindi della conduttività del semiconduttore, la lacuna può essere assimilata ad un portatore di carica elettrica positiva, uguale e contraria alla carica elettrica dell’elettrone.
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