Lo studio dei Semiconduttori delle giunzioni PN e del drogaggio dei semiconduttori sono alla base di tutta l’elettronica moderna.
Per capire come funzionano dei componenti che hanno rivoluzionato la nostra vita come diodi e transistor, bisogna capire innanzitutto il concetto della giunzione p-n. Vediamo perché è giusto approfondire lo studio di Semiconduttori giunzioni PN e drogaggio dei semiconduttori.
Indice
La Giunzione PN e la similitudine con la membrana cellulare
Innanzitutto una osservazione molto importante:
- la giunzione PN ha alcune somiglianze con il bi-strato lipidico neurale, ovvero somiglia alla membrana cellulare.
Ricordiamo che il bi-strato lipidico è la barriera tra l’interno e l’esterno della cellula ed è caratterizzato da un accumulo di ioni carichi su entrambi i lati della barriera. Gli ioni caricati generano una differenza di potenziale elettrico che alla fine consente di eseguire delle azioni tipiche di una cellula.
Allo stesso modo, una giunzione p-n è il confine tra due materiali con cariche diverse su di essi. Le cariche in una giunzione p-n sono controllate dalla presenza (-) o assenza (+) degli elettroni. Gli elettroni hanno una carica negativa e il movimento di queste cariche attraverso materiale conduttivo è alla base della teoria dell’elettricità. In alcuni materiali, i semiconduttori, possiamo gestire la quantità di elettroni presenti attraverso un processo chiamato drogaggio, ovvero introducendo delle impurità in semiconduttori estremamente puri.
I Semiconduttori
I semiconduttori fanno parte del Gruppo IV della tavola periodica, dove troviamo carbonio, silicio e germanio. Ogni elemento del gruppo IV ha quattro elettroni nel suo livello di energia esterna, orbita esterna, possono contenere fino a otto elettroni. Questo è importante perché gli elementi del Gruppo IV possono formare legami covalenti a quattro vie in un reticolo cristallino. In questo modo il livello di energetico delle orbite esterne di ciascun atomo è stabile.
Tornando alla tavola periodica osserviamo che gli elementi del gruppo III hanno tre elettroni nelle orbite più esterne, mentre gli elementi del gruppo V hanno cinque elettroni nel loro guscio elettronico più esterno. Gli elementi di questi gruppi possono anch’essi formare legami covalenti con elettroni.
Se prendi un blocco di un puro elemento del gruppo IV come il silicio e lo colpiamo con alcuni atomi del gruppo III come il boro, il boro tenterà di adattarsi al reticolo. Tuttavia, poiché il boro ha solo tre elettroni nel guscio esterno, uno dei quattro vicini del silicio nel reticolo sarà mancante di un elettrone nel legame covalente. Pertanto, il legame avrà una carica netta positiva (assenza di elettrone), che può attrarre e accettare un elettrone da un legame vicino. Gli atomi del gruppo III sono noti come accettori.
Confronta la tavola periodica degli elementi al link: https://en.wikipedia.org/wiki/Periodic_table
Il drogaggio
Il drogaggio di un semiconduttore con accettori genererà un eccesso di queste assenze di elettroni (note come buchi), il che si traduce nella comparsa di un surplus di cariche “positive” nel materiale, rendendo questo materiale “drogato positivamente” o “drogato con p”.
Come ci si potrebbe aspettare al contrario, quando elementi del Gruppo V come il fosforo che hanno cinque elettroni vengono aggiunti al silicio, questo forma legami con un eccesso di elettroni. Gli atomi del gruppo V sono quindi noti come “donatori”. Il drogaggio di un semiconduttore con donatori genererà una grande concentrazione di elettroni carichi negativamente, rendendo il materiale “drogato negativamente” o “n-drogato”.
La Giunzione
Entrambi i semiconduttori drogati con p e drogati con n sono conduttori elettrici, ma cosa succede quando mettiamo un blocco di semiconduttore drogato con p unito a un blocco di semiconduttore drogato con n?
Gli elettroni nel materiale drogato con n sono attratti dalla sostanza drogata con p positivo, e gli elettroni in eccesso e le cariche positive si incontrano nel mezzo alla giunzione tra i due blocchi. Quando elettroni e lacune si incontrano, si annullano a vicenda e formano uno strato che si esaurisce di cariche o uno strato di esaurimento. Come il bi-strato neurale, le proprietà del potenziale elettrico risultante della giunzione p-n consentono molte funzioni.
Polarizzazione diretta
Lo strato di esaurimento, a causa della mancanza di cariche libere, non è conduttivo senza una tensione esterna applicata. Se il lato drogato in p della giunzione pn è collegato alla tensione positiva e il lato drogato in n con la tensione negativa di una batteria, ciò si traduce in una riduzione della barriera del potenziale elettrico e consente agli elettroni di attraversare la giunzione pn, che provoca flusso di corrente elettrica. Questo processo è chiamato bias forward.
Polarizzazione inversa
Se, d’altra parte, il semiconduttore di tipo p è collegato con la tensione negativa e il tipo n con la tensione positiva, gli elettroni e le cariche positive (fori) vengono allontanati ulteriormente dalla regione di esaurimento, il che si traduce in una maggiore barriera di potenziale elettrico che si comporta come un isolante. Questo si chiama polarizzazione inversa.
Abbiamo dedicato un articolo di approfondimento sul comportamento elettrico delle giunzioni PN sono quindi comunemente utilizzate come DIODI, che sono dispositivi che consentono all’elettricità di fluire in una direzione ma non nella direzione opposta. È importante sottolineare che i diodi consentono la corrente unidirezionale solo se viene raggiunta una certa tensione o “tensione diretta”.
Conclusioni – Semiconduttori giunzioni PN e drogaggio dei semiconduttori
Abbiamo approfondito in questo articolo lo studio dei Semiconduttori delle giunzioni PN e del drogaggio dei semiconduttori che sono alla base di tutta l’elettronica moderna. Abbiamo analizzato gli aspetti più importanti legati alla polarizzazione diretta e inversa. Lo studio è propedeutico alla conoscenza dei componenti ellettronici Diodo e Transistor di cui abbiamo parlato diffusamente nella nostra sezione dedicata al Laboratorio di Elettrotecnica e di Elettronica.