Parte 2bis: la giunzione pn

Abbiamo lasciato il precedente articolo in sospeso, con la promessa di ritornare sul tema dei transitor BJT, ed entrare nel dettaglio del loro funzionamento. Partiremo analizzando il funzionamento delle giunzioni pn, per poi affrontare i transistor in un secondo articolo.

Prima di addentrarci nella trattazione è necessario fare qualche piccola premessa:

• La mia comprensione dell’argomento è stata fortemente influenzata da questo testo: Il transistore è una cosa semplicissima – E. Aisberg, del quale consiglio la lettura se volete approfondire l’argomento. È un testo divulgativo scritto nel 1962, quando il trasistor si affacciava per le prime volte nel mondo dell’elettronica.
   
• Il verso della corrente elettrica (dal positivo al negativo) è stato stabilito per convenzione da Benjamin Franklin nel Settecento. All’epoca non si aveva ancora certezza del segno dei portatori di carica, ovvero delle particelle fisiche che trasportano corrente. Al tempo non si conosceva ancora con certezza la struttura atomica, e Franklin era convinto che la carica elettrica fosse trasportata da una materia fluida in movimento. Così lo scienziato ipotizzò che il segno del portatore di carica fosse positivo, e che quindi la corrente transitasse dal polo positivo al polo negativo. Nel 1879 però Edwin Hall creò un apparato sperimentale grazie al quale fu possibile determinare il segno dei portatori di carica.

  

  Vediamolo in dettaglio: fece passare la corrente per un conduttore piatto e largo, sottoposto a un campo magnetico perpendicolare, rivolto verso l’alto. Dalla formula della forza di Lorentz sappiamo che il vettore forza esercitato su una carica da un campo magnetico, è uguale al prodotto vettoriale del vettore velocità per il vettore campo magnetico, moltiplicato per il valore della carica q. La direzione della forza Fq segue la regola della mano destra, il modulo è uguale al prodotto tra carica, modulo della velocità, modulo del campo magnetico e seno dell’angolo tra v e B. Ne consegue che se la carica è negativa anche la forza sarà negativa in modulo.

La direzione e il verso della forza restano però costanti in entrambi i casi: se la carica è negativa il segno meno della carica si annullerà col segno meno introdotto dalla velocità(che sarà di segno opposto rispetto al caso q>0). Questo significa che il portatore di carica, indipendentemente dal suo segno, sarà sempre spinto verso lo stesso lato del conduttore, lasciando lacune di segno opposto nell’altra metà. Per questa ragione tra i due lati del conduttore si formerà una differenza di potenziale, che nel caso di q>0 sarà positiva, e nel caso di q<0 sarà negativa.

Tramite questo procedimento, Hall determina che il segno dei portatori di carica è negativo, il flusso degli elettroni è quindi opposto rispetto al flusso della corrente fissato da Franklin. Per questa ragione durante questa trattazione presteremo particolare attenzione alla differenza tra flusso di elettroni e corrente. Nelle normali trattazioni dell’elettronica è indifferente considerare la corrente come un flusso di cariche positive in un senso o il flusso di cariche negative nel senso opposto. Il caso della giunzione pn è uno di quei casi in cui è invece fare un distinguo, e ricordarsi che la corrente fluisce in verso opposto agli elettroni.

• Dobbiamo anche, prima di inoltrarci nella trattazione delle giunzioni pn, riprendere confidenza con il concetto di valenza e con la regola dell’ottetto. Sappiamo che gli atomi sono formati da un nucleo e da un certo numero di elettroni che si trovano in prossimità del nucleo. Il numero di elettroni, nel caso di un atomo allo stato fondamentale, è uguale al numero di protoni presenti nel nucleo, ed è quindi caratteristico di ogni elemento. Gli elettroni sono disposti in strati. Si dice numero di valenza il numero degli elettroni presenti nello strato più esterno. Nel caso del silicio il numero di valenza è 4.

  

  Un atomo raggiunge la stabilità quando dispone di otto elettroni nello strato più esterno. Questa regola è nota come regola dell’ottetto.
  Va notato inoltre come atomi con valenza bassa(1, 2 o 3) cedano volentieri gli elettroni più esterni, e siano quindi conduttori(come il rame), mentre gli elementi con valenza alta (5,6, 7 o 8) siano restii a cederli, e si comportano quindi da isolanti (come l’ossigeno e l’azoto di cui è composta l’aria). Nel mezzo troviamo i semiconduttori, ovvero materiali come il silicio e il germanio, che hanno numero di valenza 4.

Normalmente il silicio e il germanio non si comportano da conduttori: ogni atomo si lega con altri 4 atomi, facendo in modo che ognuno di essi raggiunga l’ottetto. In questa struttura rigida non c’è modo di strappare gli elettroni dai loro atomi, e far quindi circolare corrente. 

Se noi introducessimo però delle piccolissime quantità di atomi pentavalenti(ad esempio il fosforo) in questa struttura cristallina, il quinto elettrone di questi atomi sarebbe libero di passare da un atomo all’altro, e il materiale diventerebbe quindi in grado di far passare corrente. Questa procedura è chiamata drogaggio, ed è definita di tipo N(negativo), perché andiamo a introdurre nel materiale ulteriori elettroni, di carica negativa. Immaginiamo di applicare una tensione elettrica alla porzione di silicio drogata. Vedremo il nostro elettrone libero spostarsi di atomo in atomo verso il terminale positivo, ma quando questo elettrone avrà lasciato la porzione di silicio, un nuovo elettrone di troppo sarà immesso dal terminale negativo. Questo meccanismo permette al silicio con drogaggio di tipo N di far scorrere della corrente.

Otterremo l’effetto opposto introducendo nel cristallo di silicio un atomo trivalente(come ad esempio il boro). In questo caso formeremo una lacuna, cioè la mancanza di un elettrone, che si comporta a tutti gli effetti come se fosse una particella carica positivamente. Applicando una tensione, la lacuna si muoverà verso il terminale negativo, venendo poi reimmessa. Propriamente, la lacuna viene colmata da un elettrone attratto dal polo positivo, che lascia però una lacuna dietro di se, che a sua volta viene colmata da un altro elettrone e così via. È quindi come se la lacuna si muovesse in senso opposto rispetto agli elettroni, dal positivo al negativo.

Di per loro queste operazioni non sono molto interessanti. I materiali ottenuti non saranno dotati di particolari proprietà oltre alla conduttività. La procedura diventa più interessante se viene drogata un’unica porzione di silicio, in un’estremità con drogaggio di tipo N e nell’altra di tipo P. In questo modo creeremo una porzione di spazio nota come giunzione pn, ovvero il punto dove si incontrano i drogaggi P ed N.

È importante notare che quando l’elettrone libero del drogaggio N lascia l’atomo di fosforo, l’atomo assume carica positiva, dato che la carica di un protone non è più equilibrata da quella di un neutrone. Allo stesso modo quando all’atomo di boro, nel drogaggio P, si aggiunge un elettrone, l’atomo assumerà carica negativa. Queste cariche, a differenza di elettroni e lacune, non hanno possibilità di muoversi all’interno del silicio.

Quello che succede in questa porzione di silicio è che gli atomi di boro, carichi negativamente, respingono gli elettroni, della stessa carica. Allo stesso modo gli atomi di fosforo, positivi, respingono le lacune, positive. Si viene quindi a creare una barriera di potenziale. Infatti, se sottoponiamo la nostra giunzione a una polarizzazione diretta, applicando quindi una differenza di potenziale sufficiente, tale da permettere agli elettroni di vincere la repulsione delle cariche negative degli atomi di boro(un po’ come se dovessimo spingerli con sufficiente forza per superare la barriera), la giunzione permetterà il fluire di cariche elettriche, diventando così un conduttore. La dimensione fisica della tensione di soglia, per le giunzioni pn basate sul silicio(e non su altri semiconduttori come il germanio) è solitamente compresa tra 0.,6v e 0,8v. Tutto ciò avviene solo nel caso in cui la polarizzazione, ovvero l’applicazione della differenza di potenziale, sia diretta, cioè quando alla regione P è collegato il terminale positivo del nostro generatore, e alla regione N è collegato il terminale negativo.

Se i terminali sono invertiti rispetto alla situazione di cui sopra, la polarizzazione si dice inversa. Andiamo ora ad analizzare cosa succede quando si applica la polarizzazione inversa alla giunzione.

Quando applichiamo il terminale positivo alla regione N gli elettroni saranno attratti da questo, senza però poter lasciare la regione, non essendoci altri elettroni che possono subentrare al posto loro. Analogamente avverrà anche nella regione P con le lacune e il terminale negativo. Questo però non farà altro che rinforzare la barriera, lasciando scoperti altri atomi di fosforo e boro. Naturalmente aumentando la tensione inversa ai capi della giunzione riusciremo a rompere la barriera, ma la rottura sarà definitiva e non sarà più possibile ripristinare la giunzione. 

Il dispositivo che abbiamo studiato viene chiamato diodo, e la sua peculiarità è quella di permettere il passaggio della corrente in un solo verso. 

E tutto questo cosa ha a che fare con i transistor BJT? Non vi sarà sicuramente sfuggito che nel precedente articolo abbiamo trattato di transitor pnp e npn. Se vi serve ancora qualche indizio sappiate che BJT significa Bipolar Junction Transistor(transistore a giunzione bipolare). Il transistor è infatti costituito da due giunzioni pn. Potremo dunque ottenere due combinazioni: npn e pnp. 

Approfondiremo questo discorso nel prossimo articolo, anche per oggi è tutto. 

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