PRIMA LEZIONE: Introduzione allo studio dei diodi: i Semiconduttori

INTRODUZIONE

Non inizierò a parlare direttamente del diodo ma tratterò inizialmente gli argomenti relativi alla teoria dei semiconduttori e alla giunzione p-n, in quanto ritengo che questi argomenti, spesso trattati con superficialità nel corso a cui mi riferisco, siano fondamentali per la corretta comprensione non solo del diodo ma anche del BJT (Bipolar Junction ransistor) che costituisce l’elemento circuitale fondamentale dell’elettronica. Questi argomenti sono comunque molto articolati, per cui, per cercare di stimolare l’interesse degli allievi parlerò dapprima del motivo che ci spinge a studiare il diodo, in questa spiegazione gli alunni vedranno questo elemento circuitale non come una mera astrazione ma ne capiranno l’utilità nella quotidianità; questo perché ritengo che avvicinare i concetti didattici alla diretta esperienza degli allievi ne aumenti la curiosità.


Perché studiamo il diodo?

La più comune applicazione del diodo è quella all’interno degli alimentatori.
Per ottenere la tensione di alimentazione per i circuiti elettronici si sfrutta il segnale proveniente dalla rete di distribuzione; esso necessita di una adeguata conversione, poiché la maggior parte dei dispositivi elettronici richiede, per poter funzionare, un’alimentazione continua che và da pochi volt fino a qualche decina di volt e valori di corrente che vanno da qualche mA fino a qualche decina di ampere, mentre la tensione di rete è di tipo sinusoidale con valore efficace pari a 220V e frequenza pari a 50Hz. I dispositivi che convertono la tensione di rete (220 V sinusoidale alternata con frequenza di 50 Hz) ad una tensione continua di valore utile al funzionamento del dispositivo che si vuole alimentare vengono chiamati ALIMENTATORI. In questi ultimi trova la più comune applicazione il diodo.
Nella seguente catena a blocchi vengono indicate le principali fasi della trasformazione sopra citata e i dispositivi che le mettono in atto:




- Il trasformatore converte la tensione di rete in una tensione della stessa forma ma con ampiezza ridotta fino a valori dell’ordine delle decine di volt. In questa fase si abbassa, dunque, la tensione di rete a livello di quella di uscita.

- Il raddrizzatore elimina o ribalta le componenti negative della tensione sinusoidale. In questa fase, dunque, il segnale sinusoidale verrà convertito in pulsante, cioè, con segno sempre positivo e valor medio non più nullo.

- Il filtro, attraverso l’utilizzo di condensatori, effettua un primo livellamento della tensione raddrizzata. All’uscita del raddrizzatore infatti si ha una tensione che è tutt’altro che continua.

- Il regolatore - stabilizzatore si occupa di livellare ulteriormente la tensione e di evitare eccessive variazioni al variare del carico o della tensione in ingresso. Il filtro, infatti, non riesce a rendere perfettamente costante il segnale raddrizzato, questa ondulazione residua (ripple), non è accettabile nella maggior parte delle applicazioni.

I diodi negli alimentatori trovano impiego in due blocchi, il RADDRIZZATORE e lo STABILIZZATORE. Nel caso dei raddrizzatori si usa il diodo nel funzionamento ON-OFF.
Per comprendere il principio di funzionamento del diodo è necessario studiare i semiconduttori e la giunzione P-N.

I SEMICONDUTTORI

Cenni sulla struttura atomica della materia
E’ noto dalla fisica che tutti i materiali esistenti in natura sono costituiti da atomi. Ogni atomo è formato da, un nucleo, caratterizzato da una massa e contenente un certo numero di protoni (cariche elettriche positive) e di neutroni ( elettricamente neutri), e da elettroni (cariche elettriche negative) che “orbitano”, a distanza diversa, intorno al nucleo.

In condizioni normali il numero di protoni contenuti nel nucleo è uguale al numero di elettroni orbitanti, così che l’atomo risulta globalmente neutro. Il movimento di ciascun elettrone intorno al nucleo è definito dalle leggi della meccanica quantistica, che prevede che gli elettroni di un atomo si dispongano in strati concentrici intorno al nucleo secondo livelli di energia discreti (cioè che possono assumere solo determinati valori) detti orbitali., ovvero, nel suo movimento l’elettrone non segue una specifica traiettoria ma piuttosto va inteso come una nuvola carica negativamente che occupa l’orbitale.
In un atomo ogni elettrone è contraddistinto da quattro numeri quantici che ne definiscono lo stato quantico:
- il numero quantico principale n: definisce l’energia totale dell’elettrone; - il numero quantico orbitale l e il numero quantico magnetico ml determinano la forma dell’orbita dell’elettrone intorno al nucleo;
- il numero quantico di spin ms indica il verso di rotazione dell’elettrone intorno al proprio asse;
Se un atomo possiede più di un elettrone è valido il Principio di esclusione di Pauli: uno stato quantico può essere occupato da un solo elettrone.
I possibili orbitali di un atomo sono definiti dai primi tre numeri quantici, per ogni orbitale, quindi, possono esistere due elettroni con un diverso numero quantico di spin; inoltre gli elettroni tendono ad occupare , tra i possibili orbitali, quelli a più basso contenuto energetico ovvero quelli con n più piccolo, che sono i più vicini al nucleo.
In un atomo gli elettroni che occupano lo strato più esterno vengono detti elettroni di valenza; da essi dipendono le caratteristiche chimiche e fisiche dell’atomo, ad esempio gli atomi di Silicio e Germanio sono tetravalenti, cioè hanno quattro elettroni di valenza.
Sull’elettrone agiscono due forze di uguale direzione ma verso opposto: una forza di attrazione coulombiana verso il nucleo e una forza centrifuga; affinché l’elettrone si trovi in equilibrio le due forze devono essere uguali tra loro in modulo.
Inoltre l’elettrone che ruota intorno al nucleo possiede due tipi di energia: cinetica e potenziale. L’energia cinetica è dovuta al moto circolare dell’elettrone intorno al nucleo; l’energia potenziale viene definita come il lavoro fornito dalla forza coulombiana per portare l’elettrone a distanza r dal nucleo. La somma dei due tipi di energia sopra indicate fornisce l’energia totale dell’elettrone. Considerando la struttura dell'atomo, se volessimo immaginare come varia l’energia potenziale in tre dimensioni otterremmo una figura geometrica simile ad un imbuto: nella parte centrale bassa si deve pensare sia situato il nucleo dell’atomo, mentre l’elettrone ruota sulla parete sempre alla stessa altezza perché è quella l’energia ad esso associata. Per allontanarsi dall’atomo è necessario che l’elettrone riceva energia, cioè superi la barriera di potenziale per fuoriuscire dall’imbuto.

Teoria delle bande di energia nei materiali
Quando più atomi dello stesso materiale sono vicini, compaiono delle forze attrattive che aumentano col diminuire della distanza tra gli atomi, a distanze molto piccole compaiono forze repulsive che al diminuire della distanza diventano più intense di quelle attrattive; gli elettroni di un atomo sono influenzati da tutti gli altri elettroni e nuclei degli altri atomi. Esiste una distanza alla quale queste forze si equilibrano e gli atomi raggiungono una posizione di equilibrio stabile formando tra loro dei legami. Quando il materiale è un solido con struttura cristallina, i legami costringono gli atomi a restare fermi nella loro posizione; l’unico movimento possibile e la vibrazione degli atomi attorno alla loro posizione di equilibrio. Questo spostamento piuttosto limitato si ottiene fornendo agli atomi energia, ad esempio energia termica. Gli elettroni, invece, hanno una possibilità di movimento maggiore, in particolare, se l’elettrone percorre un’orbita abbastanza vicina al nucleo non è influenzato dalla vicinanza di altri atomi, mentre invece, la sua orbita viene fortemente variata se occupa una posizione più periferica, in quest’ultimo caso se un elettrone possiede un’energia sufficiente è libero di muoversi tra gli atomi. Quando più atomi sono posti nelle vicinanze, tutti i livelli energetici possibili degli elettroni (liberi e vincolati) si raggruppano in fasce, chiamate bande, in particolare si costituiscono delle bande di energia ammesse e delle bande di energia non ammesse: ogni banda è formata da un insieme di livelli discreti di energia, ma il numero elevatissimo di questi livelli fa sì che la banda possa essere intesa come un tratto continuo di energia ammessa. Tra le bande possibili due risultano particolarmente importanti: la banda di valenza e la banda di conduzione.

La banda di valenza è formata dai livelli energetici degli elettroni di valenza, mentre la banda di conduzione è la banda di energie ammesse immediatamente superiore alla precedente, è costituita da livelli energetici vuoti disponibili ad essere occupati da elettroni provenienti dalla banda di valenza. Queste due bande sono separate da una banda non ammessa o interdetta (band gap).
La possibilità di conduzione di un materiale è legata alla probabilità che gli elettroni siano in grado di compiere transizioni da un livello della banda di valenza a uno della banda di conduzione, di passare cioè dalla condizione di avere elettroni vincolati alla condizione di avere elettroni liberi di muoversi.
Maggiore è il numero di elettroni presenti nella banda di conduzione, più elevata è la conducibilità del materiale, affinché possano verificarsi le transizioni è necessario fornire al materiale l’energia sufficiente a superare il gap che lo separa dalla banda di conduzione.
A seconda dell’estensione della banda proibita i solidi si classificano in: conduttori, isolanti e semiconduttori. In particolare:

1. Quando il gap è nullo o negativo, ovvero la banda di conduzione inizia dove termina la banda di valenza o le due sono addirittura parzialmente sovrapposte, siamo in presenza di materiali CONDUTTORI;

2. Quando il gap è piccolo (minore di 1eV o di poco superiore) per effetto termico, attraverso radiazioni luminose o in presenza di un campo elettrico è facile ottenere il passaggio di un certo numero di elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione; questo è il caso dei materiali SEMICONDUTTORI.

3. Quando il gap è molto grande, ovvero alcuni eV, siamo in presenza di materiali ISOLANTI, in questo caso, infatti, anche in presenza di un campo elettrico elevato, gli elettroni non riescono a superare la banda interdetta;

Per quanto concerne i semiconduttori, a temperature superiori allo zero assoluto ( per esempio a temperatura ambiente) un certo numero di elettroni è già presente nella banda di conduzione, perché il calore ricevuto è sufficiente a far avvenire la transizione in tale banda. Naturalmente tanto più è elevata la temperatura tanto più elevato è il numero di elettroni liberi, quindi tanto maggiore è la conducibilità del materiale.
La conducibilità di un semiconduttore non è dovuta solamente agli elettroni presenti nella banda di conduzione, ma anche alla presenza dei livelli vuoti nella banda di valenza.Come vedremo meglio di seguito, se un elettrone transita nella banda di conduzione lascia un posto vuoto nella banda di valenza, che può essere occupato da un altro elettrone proveniente da un livello inferiore della banda di valenza.

Struttura cristallina dei semiconduttori
Le proprietà che caratterizzano i semiconduttori sono le seguenti:
- sono sostanze non metalliche la cui resistività può variare da un millesimo a un milione di per centimetro, a temperature sufficientemente basse sono comunque buoni isolanti;
- la conducibilità elettrica dei materiali puri cresce rapidamente con la temperatura;
- le proprietà elettriche sono molto sensibili al contenuto di impurezze caratteristiche.
L’impurezza indica la presenza di un atomo diverso all’interno della struttura cristallina del semiconduttore puro.
A causa dell’estrema sensibilità delle proprietà fisiche dei semiconduttori a impurezze, temperatura, radiazione, ecc., questa classe di materiali può essere sfruttata nella costruzione di molti tipi di dispositivi elettronici: diodi, transistor, circuiti integrati, laser, celle solari, sensori di temperatura, pressione, campo magnetico e sostanze contaminanti e altro ancora. Lo sviluppo di tali dispositivi ha portato alla realizzazione di calcolatori elettronici e di microprocessori sempre più potenti e veloci. La caratteristica più significativa della conducibilità dei semiconduttori è la sua forte dipendenza dalla temperatura e dal contenuto di impurezze particolari. Mentre nei metalli, aumenta gradualmente al diminuire di T, nei semiconduttori, diminuisce di molti ordini di grandezza tra la temperatura ambiente e alcuni gradi Kelvin.
I materiali più usati nella realizzazione dei componenti a semiconduttore sono il silicio (Si) e il germanio (Ge). Gli atomi di Si o Ge sono caratterizzati dall’avere 4 elettroni di valenza (tetravalenti), più esterni, che vengono utilizzati per i legami atomici (legame covalente) formando una struttura cristallina.

La schematizzazione riporta nel piano una struttura che in realtà è tridimensionale: gli atomi del semiconduttore realizzano una reticolo cristallino, disponendosi ai vertici di un tetraedro regolare.

Ogni atomo, che come già detto presenta quattro elettroni di valenza, forma un legame di tipo covalente con i quattro atomi circostanti ( un legame ogni due elettroni, uno per atomo).
Quando si fornisce energia termica o solare o elettrica è possibile spezzare un legame covalente, in questo caso si avranno elettroni liberi, cariche negative, disponibili per il passaggio di corrente (portatore di carica negativa). Di conseguenza la mancanza di un elettrone dà origine ad una carica localizzata positiva che prende il nome di lacuna.
La lacuna è molto importante nello studio della conducibilità dei materiali semiconduttori perché si comporta come un vero e proprio portatore di carica positiva, infatti un elettrone di valenza di un atomo vicino, che non disponga di energia sufficiente per diventare libero, potrà però più facilmente abbandonare il suo livello nella banda di valenza andando ad occupare quello libero vicino ovvero ad occupare il posto vuoto della lacuna, dunque, è come se la lacuna si fosse spostata nel verso opposto. Per capire meglio questo concetto possiamo pensare alla sala di un teatro, se le poltrone sono tutte occupate non è possibile nessun movimento di persone, se però due persone si alzano e abbandonano la sala, altre due persone sedute dietro si potrebbero alzare per occupare i posti rimasti vuoti che consentono una migliore visione dello spettacolo, ma ancora altre due persone sedute nelle file più indietro si sposteranno per sedersi nei due posti rimasti liberi, e così via dicendo, le persone si sposteranno sfruttando i posti vuoti lasciati liberi; tale movimento si può vedere come lo spostamento delle due poltroncine libere via via sempre più verso le ultime file.
La conduzione in un semiconduttoreintrinseco è dovuta, oltre agli elettroni presenti nella banda di conduzione, anche ai posti liberi presenti nella banda di valenza.


Semiconduttori drogati
Per aumentare la conducibilità di un materiale semiconduttore e quindi la sua dipendenza da fattori esterni quali campo elettrico, temperatura, radiazione solare ecc, si ricorre al drogaggio (doping). Questo processo consiste nell’inserire all’interno della struttura cristallina del Si o Ge, tetravalenti, atomi di materiale pentavalente o trivalente per creare, in questo modo, un eccesso di elettroni liberi o lacune. Un semiconduttore sottoposto a drogaggio si definisce estrinseco. Il materiale in cui vengono introdotti atomi pentavalenti, detti donori, diventa di tipo n per l’eccesso di cariche negative (elettroni), e quello con atomi trivalenti, detti accettori, diventa di tipo p per l’eccesso di “cariche positive” (lacune).

Bisogna considerare il fatto che, mentre in un semiconduttore puro (intrinseco) il numero di lacune e di elettroni liberi coincide, nel caso di semiconduttore drogato (estrinseco) sono presenti in numero maggiore le cariche di polarità corrispondente al drogante scelto (lacune se il drogante scelto è trivalente, elettroni se il drogante scelto è pentavalente). Inoltre, poiché le cariche mobili nel semiconduttore puro sono molto poche, la conducibilità estrinseca, introdotta con il drogaggio, risulta dominante rispetto a quella intrinseca
Dunque in un semiconduttore drogato sono presenti due tipi di cariche mobili:
1. Le coppie elettrone-lacuna, presenti in quantità limitata che determinano una conducibilità molto ridotta e dipendente dalla temperatura, che influenza il numero di elettroni liberi.
2. Le cariche introdotte mediante drogaggio, sono le cariche maggioritarie dipendenti soltanto dal numero di atomi di impurità introdotti mediante il drogaggio. Questa conducibilità è dominante rispetto la precedente..
Quando nel semiconduttore si ha una distribuzione non uniforme di cariche libere queste tendono a distribuirsi in modo uniforme (analogamente a quanto avviene con i gas che tendono a distribuirsi nello spazio a loro disposizione); in queste condizioni siamo in presenza di una corrente di diffusione, che si annulla una volta raggiunta la condizione di equilibrio, in queste condizioni, affinché si abbia passaggio di corrente, bisogna applicare al semiconduttore un campo elettrico che orienti il movimento delle cariche, in questo caso siamo in presenza di una corrente di deriva.
Nel caso più generale, ovvero in presenza sia di una distribuzione di cariche non uniforme che di un campo elettrico, le due correnti possono coesistere contemporaneamente; il movimento delle cariche per diffusione è molto più veloce, mentre quello per deriva dipende dal campo elettrico applicato e dalla resistenza del materiale conduttivo