I semiconduttori

IIS “Bodoni” prof. Pietro Mantelli – Appunti da S.Pugliese Jona
Il diodo a semiconduttore
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http://archimedes.infm.it/semtec/ManualeMultimediale/Percorsi/bl2/dsac_020100.htm
http://www.elparadise.com/semi_note.asp
http://www.bclnews.it/html/vintage2/vintage2.htm
http://it.wikibooks.org/wiki/Elettronica_fisica/Semiconduttori
http://ospitiweb.indire.it/puglia/pug03/questionari_analogica/diodo/diodoc.htm

esplora tavola periodica degli elementi (chimica)
http://www.dayah.com/periodic/
http://www.lenntech.com/italiano/tavola-periodica.htm
I semiconduttori
Sostanze quali il silicio e il germanio, importantissime nella costruzione di molti dispositivi usati in
elettronica, sono chiamate semiconduttori.
Normalmente la resistenza di un cristallo di silicio o di germanio puro, a temperatura ambiente, è
elevatissima. Infatti gli elettroni sono generalmente tutti impegnati ad assolvere il compito di tenere gli atomi
legati tra loro nel reticolo cristallino: stanno, come si suoi dire nella banda di valenza del cristallo. Basta
tuttavia un apporto di energia perché alcuni elettroni riescano ad abbandonare la banda di valenza e
passino nella banda di conduzione lasciando dietro di sé uno spazio vuoto ed uno ione positivo (fig. 14).
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L'energia occorrente per compiere il passaggio può arrivare in seguito ad un aumento della
temperatura: per esempio, a causa dell'aumentato numero di cariche di conduzione, nel passare da circa
60°C a circa 140°C la resistenza del germanio puro diminuisce di circa 12 volte; nel passare da circa 180°C
a circa 250°C la resistenza del silicio puro diminuisce di circa 8 volte. Questo è ciò che accade nei
termistori.
L'energia occorrente può anche giungere attraverso l'illuminazione: su questo si basano alcuni
dispositivi a semiconduttore chiamati fotoresistenze, utilizzati per costruire apparecchi sensibili alle
variazioni nell'intensità luminosa.
In ogni caso l'uscita di un elettrone dalla banda di valenza genera non uno ma due portatori di
carica: l'elettrone stesso e una lacuna o mancanza di elettrone presso lo ione positivo che l'elettrone ha
lasciato dietro di sé nel reticolo cristallino. Infatti lo ione ha una forte tendenza a riempire lo spazio vuoto
«rubando» un elettrone ad un atomo vicino, il quale a sua volta «ruberà» un elettrone ad un altro vicino, e
così via. Ne consegue che la carica positiva dello ione si sposta qua e là, in modo casuale, per il cristallo. Le
cose vanno come se il semiconduttore contenesse cariche mobili di ambo i segni: gli elettroni negativi e le
lacune positive.
In molte applicazioni il numero dei portatori di carica del cristallo di silicio o di germanio viene
aumentato introducendovi alcuni atomi di altri elementi opportunamente scelti, con un'operazione chiamata
drogaggio.
Impurità come il fosforo e l'arsenico, per esempio, manifestano una grande tendenza a liberare
uno dei loro elettroni più esterni, che acquista la possibilità di muoversi per il cristallo contribuendo alla
conduzione della corrente elettrica. Naturalmente il cristallo resta complessivamente neutro; contiene però,
in maggiore quantità di prima, cariche elettriche negative mobili e positive fisse (gli ioni del fosforo o
dell'arsenico, immobilizzati nel reticolo cristallino). Il semiconduttore che si ottiene viene chiamato di tipo n
(fig. 15a).
Elementi quali l'alluminio o il gallio, invece, hanno la tendenza a catturare un elettrone periferico da
uno degli atomi di silicio o di germanio che li circondano, tenendolo legato a sé e diventando ioni negativi. Lì
vicino si forma così una lacuna che, come visto sopra, equivale ad una carica positiva libera di muoversi.
Dato che con questo tipo di drogaggio i portatori di carica sono positivi, il semiconduttore viene chiamato di
tipo p (fig. 15b).
Conduttori non lineari e dispositivi a semiconduttore
Caratteristica tensione-corrente
II grafico della corrente che attraversa un conduttore in funzione della tensione che c’è ai suoi capi
si chiama caratteristica tensione-corrente. La caratteristica tensione-corrente di un conduttore che
obbedisce alla legge di Ohm è una retta che passa per l'origine delle coordinate. Se si stabilisce
convenzionalmente che la corrente che attraversa il conduttore in un certo verso è da considerarsi positiva e
quella che lo attraversa nel verso opposto è da considerarsi negativa, tale retta può essere prolungata
anche nella zona negativa degli assi coordinati, intendendo che la d.d.p. negativa si ottenga invertendo la
polarità del generatore (fig. 1).
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caratteristica tensione-corrente
0,045
0,040
0,035
ampere
0,030
0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0 2,5
3,0
3,5
4,0
volt
resistenza ohmica
lampadina
fig. 1 e fig. 2
Si dice che i conduttori che obbediscono alla legge di Ohm si comportano in modo lineare. La
categoria dei conduttori lineari è molto vasta ed importante, al punto che i calcoli che si fanno per
dimensionare i circuiti elettrici si basano quasi sempre sull'ipotesi che i conduttori che li compongono
abbiano resistenza elettrica costante.
Se la resistenza di un certo dispositivo cambia al variare della tensione applicata, la sua
caratteristica tensione-corrente è una curva: si dice perciò che il suo comportamento è non-lineare.
Questo succede, per esempio, per le lampadine. La figura 2 è il grafico ottenuto con le misure
rilevate, per una certa lampadina, ricavate in lab di fisica. Il comportamento non lineare delle lampadine è
dovuto al fatto che l'aumento della tensione produce un aumento della potenza entrante e, quindi, un
aumento della temperatura del filamento. La temperatura, a sua volta, influisce sull'intensità delle interazioni
tra gli elettroni di conduzione ed il reticolo cristallino. Se potessimo impedire al filamento di scaldarsi le
lampadine si comporterebbero in modo lineare.
Nei prossimi paragrafi prenderemo in considerazione il funzionamento di altri dispositivi, nei quali le
cause del comportamento non lineare sono meno dirette.
Diodi
I diodi hanno la proprietà che il valore della loro resistenza dipende fortemente dalla polarità della
tensione applicata. In condizioni di polarizzazione diretta la resistenza è piuttosto bassa ed i diodi
conducono bene la corrente comportandosi, idealmente, come interruttori chiusi. In condizioni di
polarizzazione inversa la loro resistenza è elevatissima ed essi si comportano da interruttori aperti.
I diodi funzionano quindi da interruttori direzionali, permettendo alla corrente di circolare in un solo
verso nel circuito.
La figura 3 mostra il simbolo e la caratteristica tensione-corrente di un diodo semiconduttore, che è il
tipo più comunemente adoperato. I grafici sono stati ottenuti dalle misure di lab di fisica.
Caratteristica tensione-corrente: DIODO
Caratteristica tensione-corrente: DIODO
POLARIZZAZIONE INVERSA
1400
3000
CORRENTE (ampere)
CORRENTE (mA)
1200
1000
800
600
400
200
2500
2000
1500
1000
500
0
-200
0
0
0,5
1
1,5
-20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8
-7
-6 -5
-4
-3 -2
-1
-500
TENSIONE (volt)
TENSIONE (volt)
0
1
2
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I diodi, interpretazione microscopica
Vediamo ora quali sono le cause delle singolari proprietà elettriche dei diodi semiconduttori.
Il diodo semiconduttore che hai usato nell'Esperimento 1 è un cristallo di silicio nel quale, durante
la crescita, sono state introdotte dapprima impurità che lo rendono di tipo n e successivamente, con una
brusca transizione, impurità che lo rendono di tipo p (cfr. p. 226). La piccola zona in cui avviene il passaggio
tra le due parti del cristallo è la giunzione p-n (fig 6).
La giunzione è sede di un interessante fenomeno. Infatti il moto casuale di agitazione termica degli
elettroni di conduzione presenti nel semiconduttore di tipo n ne porterà alcuni ad attraversare la giunzione
andando ad invadere, fino ad una certa profondità, il semiconduttore di tipo p. Analogamente, il moto
casuale delle lacune presenti in grande abbondanza nel semiconduttore di tipo p ne porterà alcune ad
attraversare la giunzione invadendo, fino ad una certa profondità, il semiconduttore di tipo n (fig. 7).
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Avviene quindi un fenomeno di diffusione dei portatori di carica, abbastanza simile alla diffusione
che si verifica quando due liquidi di diversa natura, per esempio acqua salata ed acqua dolce, vengono
stratificati in un recipiente. Esiste però un'importante differenza tra ciò che succede nei liquidi e ciò che
succede nei semiconduttori: nei liquidi la diffusione procede fino a raggiungere, dopo un tempo adeguato, la
mescolanza completa; nei semiconduttori, invece, la diffusione delle cariche elettriche attraverso la
giunzione si arresta dopo un tempo brevissimo. Infatti le cariche positive che si accumulano nella zona n
impediscono, respingendole, l'arrivo di altre cariche positive dalla zona p; e le cariche negative che si
accumulano nella zona p impediscono, respingendole, l'arrivo di altre cariche negative dalla zona n. Si
raggiunge perciò una situazione di equilibrio nella quale due sottili strisce di semiconduttore aventi cariche
elettriche opposte orlano la giunzione da una parte e dall'altra. (Secondo i casi, la larghezza di queste
strisce può andare da circa 10-8 m a circa 10-5 m). In conseguenza di ciò, tra i due tipi di semiconduttore si
stabilisce una differenza di potenziale: tutto il semiconduttore di tipo n si porta ad un potenziale positivo
determinato dalla presenza di un eccesso di carica positiva dalla sua parte della giunzione; tutto il
semiconduttore di tipo p si porta ad un potenziale negativo determinato dalla presenza, dalla sua parte, di
un eccesso di carica negativa. Il valore della d.d.p. dipende dalla natura dei materiali a contatto e va,
secondo i casi da 0,4V a 1V.
Vediamo ora che cosa succede quando connettiamo questo dispositivo ai poli di un generatore di
tensione. Se colleghiamo il semiconduttore di tipo p al polo negativo del generatore di tensione ed il
semiconduttore di tipo n al polo positivo la differenza di potenziale tra le due zone di semiconduttore diventa
maggiore di prima, con il risultato che le forze elettriche che impediscono agli elettroni di andare nella zona
p e alle lacune di andare nella zona n aumentano d'intensità: i due tipi di cariche mobili restano confinati
ognuno nella propria zona e la conduzione è impossibile.
Per indebolire le forze repulsive che impediscono agli elettroni di conduzione di andare nella zona p
e alle lacune di andare nella zona n dobbiamo collegare l'estremità di tipo p al polo positivo e l'estremità di
tipo n al polo negativo del generatore. Quando la d.d.p. applicata dall'esterno diventa sufficientemente alta
da annullare la d.d.p. di contatto, il diodo comincia a comportarsi come un conduttore normale e a condurre
davvero bene la corrente. Nell'esperimento di lab di fisica hai potuto misurare la tensione applicata ad un
diodo nel momento in cui iniziava a condurre. Quanto vale dunque, per il diodo utilizzato, la d.d.p. di contatto
tra zona n e zona p?
ESERCIZI
1. Un ragazzo ha bisogno di un generatore per un mangiacassette che richiede 9 volt, ma dispone solo di
una batteria da 12 volt. Invece di utilizzare un partitore di tensione, decide di mettere in serie all'apparecchio
alcuni diodi com'è mostrato nella figura E1.
a) Supponi che adoperi diodi la cui d.d.p. di contatto alla giunzione sia 0,6 V. Quanti ne dovrà
mettere in serie per raggiungere l'intento?
b) Se il circuito viene montato con cura protegge il mangiacassette dall'eventualità che la batteria
venga collegata con la polarità sbagliata. Ma se viene montato sbadatamente l'apparecchio non s'accende
affatto o può rovinarsi. Perché?
2. La figura E2a mostra un circuito contenente un diodo in serie con una resistenza R. Il circuito è alimentato
attraverso i morsetti A e B da un generatore che fornisce una tensione alternata.
a) Confronta tra loro le tensioni ∆Vdiodo e ∆VR quando A è positivo rispetto a B e quando A è negativo
rispetto a B.
b) Se il grafico della tensione tra i punti A e B è quello illustrato nella figura E2b, disegna il grafico
della tensione ai capi della resistenza.
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3. Rispondendo alla domanda b dell'esercizio precedente hai visto che la resistenza R del circuito E2a è
percorsa da corrente solo per metà del tempo. Con il ponte di diodi illustrato nella figura E3 la conduzione
diventa più continua perché il punto B del circuito è sempre positivo ed il punto D è sempre negativo.
a) Disegna un circuito che equivalga al ponte di diodi quando il punto A è positivo ed il punto C è
negativo. (Per farlo, devi ricordare che un diodo polarizzato in modo diretto corrisponde praticamente ad un
corto-circuito ed un diodo polarizzato in modo inverso corrisponde ad un circuito aperto).
b) Esegui la stessa cosa quando il punto A è negativo ed il punto C è positivo. Hai capito, ora, come
funziona un ponte di diodi?
4. Nel circuito della figura E4 i generatori sono due pile da 1,5 V.
a) Che cosa si legge sui voltmetri V1 e V2, quando con gli interruttori T1 e T2 si stabilisce il contatto
con la pila A?
b) Che cosa si legge sui voltmetri quando il contatto viene fatto con la pila B?
5. Disegna un circuito contenente uno o più diodi disposti in modo da permettere di utilizzare un voltmetro
per tensioni continue per misurare una tensione alternata. Pensi che chi utilizza il voltmetro con quel
dispositivo dovrà ritarare la scala dello strumento? Motiva la tua risposta.