Elettronica digitale: I transistor

Introduzione ai Transistor:

I semiconduttori sono materiali che hanno proprietà elettriche miste tra quelle degli isolanti e

quelle dei conduttori. A seconda di alcune condizioni si possono comportare o più da isolanti

o più da conduttori. ​ ​

Il silicio è un atomo tetravalente (4 elettroni sulla banda di valenza legati al nucleo).

Gli elettroni nello strato esterno di un atomo sono detti elettroni di valenza. Tali elettroni

hanno effetto sulle reazioni chimiche dell’atomo e determinano le proprietà elettriche

dell’elemento.

In un cristallo di silicio ogni atomo è legato ad un altro atomo.

Per rendere il dispositivo “più conduttore” devo liberare le cariche, cioè rompere i legami e

liberare gli elettroni per la conduzione. Le variazioni della temperatura (aumento) permette di

rompere alcuni legami. Quando si rompe un legame un elettrone va via e quello di un altro

legame viene attratto dalla carica positiva, rompendo così un altro legame. La conducibilità

dipende dal numero di cariche libere che a sua volta dipende dalla presenza dei legami.

L’aggiunta di una piccola percentuale di atomi di altri elementi nel cristallo comporta forti

cambiamenti nelle proprietà elettriche del cristallo, che viene detto​ drogato​ .

​

Silicio drogato “tipo n”: L’aggiunta di impurità pentavalenti (Sb, As, P) introduce elettroni

liberi che non partecipano ai legami covalenti, e aumentano la conduttività del

semiconduttore (non si creano lacune). Gli atomi del V gruppo donano un elettrone e per

questo vengono detti: “donatori”.

Come creo silicio di tipo n? Non mi interessa più la variazione di temperatura, poiché

​

l’aggiunta di impurità pentavalenti donano elettroni che risultano essere le cariche

maggioritarie​ . ​

Silicio drogato “tipo p”:​ L’aggiunta di impurità trivalenti(B, Al, Ga) chiamate accettori​ o

drogatori accettori​ crea delle assenze di elettroni di valenza (lacune) che aumentano la

conduttività del semiconduttore. Gli atomi del III gruppo accettano un elettrone e per questo

vengono detti: “accettori”.

Le lacune vengono dette​ portatori maggioritari​ o di maggioranza, mentre gli elettroni sono

​

detti portatori minoritari​ o di minoranza.

In questo modo mettiamo a disposizione le cariche per il trasporto. Ora vediamo come far

​ ​

muovere le cariche. Abbiamo due modalità assolute che risultano essere la Deriva e la

Diffusione​ .

In presenza di un campo elettrico esterno E, le lacune sono accelerate nella direzione del

campo e gli elettroni nella direzione opposta, dato che le cariche mobili sono soggette ad

un’azione frenante dovuta alle interazioni con il reticolo cristallino, le loro velocità risultano

proporzionali al campo elettrico. Le velocità degli elettroni e delle lacune sono date da:

Vp = Up*E Up = mobilità delle lacune

Vn = -Un*E Un = mobilità degli elettroni

Le mobilità diminuiscono all’aumentare della temperatura e della concentrazione dei

droganti.

E’ il campo elettrico che fa muovere le cariche, determinando velocità e direzione delle

cariche, le cariche negative (elettroni) si muoveranno nel verso opposto del campo elettrico.

I valori di Un e Up dipendono dal materiale.

Le lacune e gli elettroni, per effetto del campo elettrico esterno, danno luogo ad una corrente

(​ corrente di deriva​ ) la cui densità è:

J​ = q (pUp + nUn)​ E q=carica elettrone

Dato che la densità di corrente è legata al campo elettrico dalla relazione:

​ ​

J = σ E σ=q(pUp +nUn) “conducibilità”

Con la deriva per far muovere le cariche è necessario uno “sforzo esterno” (presenza

campo elettrico), per la diffusione invece il moto delle cariche è dovuto ad una

configurazione iniziale.

Se nel cristallo la densità degli elettroni o delle lacune non è costante, l’agitazione termica

determina un movimento di cariche dalle regioni a concentrazione maggiore verso quelle a

concentrazione minore. La natura tende a portare il semiconduttore in una condizione di

concentrazione qua che determina la nascita di una corrente. Si ha quindi una corrente

​ ​

(​ corrente di diffusione​ ) la cui densità è proporzionale al gradiente della concentrazione

delle cariche. Questa corrente si annulla quando il gradiente diventa 0, cioè quando le

cariche sono equamente distribuite lungo l’asse x. In questo caso quindi il movimento delle

cariche non dipende da un fattore esterno (campo elettrico) ma da una determinata

configurazione iniziale. Nel caso degli elettroni la densità di corrente è diretta in senso

concorde con il gradiente di concentr