Alessandro Mauro cl. 5D A.S. 2005/2006

2

Sommario

1 .1 .1 .1 . I n t r o d u z i o n eI n t r o d u z i o n eI n t r o d u z i o n eI n t r o d u z i o n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p . p . p . p . 3333

2 .2 .2 .2 . I S e m i c o n d u t t o r iI S e m i c o n d u t t o r iI S e m i c o n d u t t o r iI S e m i c o n d u t t o r i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p . p . p . p . 4444

2 . 1 .2 . 1 .2 . 1 .2 . 1 . CCCC o s a s o n o ? o s a s o n o ? o s a s o n o ? o s a s o n o ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p . p . p . p . 4444

2 . 2 .2 . 2 .2 . 2 .2 . 2 . D o v e s i t r o v a n o ? D o v e s i t r o v a n o ? D o v e s i t r o v a n o ? D o v e s i t r o v a n o ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . p .p .p .p . 4 4 4 4

2 . 3 .2 . 3 .2 . 3 .2 . 3 . D r o g a g g i o D r o g a g g i o D r o g a g g i o D r o g a g g i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p .p .p .p . 5 5 5 5

2 . 4 .2 . 4 .2 . 4 .2 . 4 . G i u n z i o n e PG i u n z i o n e PG i u n z i o n e PG i u n z i o n e P ---- N N N N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . p . p . p . p . 6666

3 .3 .3 .3 . I C o m p o n e n t i E l e t t r o n i c iI C o m p o n e n t i E l e t t r o n i c iI C o m p o n e n t i E l e t t r o n i c iI C o m p o n e n t i E l e t t r o n i c i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . p .p .p .p . 7777

3 . 1 .3 . 1 .3 . 1 .3 . 1 . T a p p e s t o r i c h eT a p p e s t o r i c h eT a p p e s t o r i c h eT a p p e s t o r i c h e : d a l t u b o a v u o t o a l t r a n s i s t o r: d a l t u b o a v u o t o a l t r a n s i s t o r: d a l t u b o a v u o t o a l t r a n s i s t o r: d a l t u b o a v u o t o a l t r a n s i s t o r .... p .p .p .p . 7777

3 . 2 .3 . 2 .3 . 2 .3 . 2 . C o m p o n e n t i c h e u t i l iC o m p o n e n t i c h e u t i l iC o m p o n e n t i c h e u t i l iC o m p o n e n t i c h e u t i l i z z a n o i s e m i c o n d u t t o r iz z a n o i s e m i c o n d u t t o r iz z a n o i s e m i c o n d u t t o r iz z a n o i s e m i c o n d u t t o r i . . . . .. . . . .. . . . .. . . . . p .p .p .p . 8888

3 . 3 .3 . 3 .3 . 3 .3 . 3 . I n t e g r a z i o n e I n t e g r a z i o n e I n t e g r a z i o n e I n t e g r a z i o n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . p . p . p . p . 1 21 21 21 2

3 . 4 .3 . 4 .3 . 4 .3 . 4 . C e l l e F o t o V o l t a i c h eC e l l e F o t o V o l t a i c h eC e l l e F o t o V o l t a i c h eC e l l e F o t o V o l t a i c h e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . . p . p . p . p . 1 31 31 31 3

4 .4 .4 .4 . I l D i o d o L . E . D .I l D i o d o L . E . D .I l D i o d o L . E . D .I l D i o d o L . E . D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p .p .p .p . 1 71 71 71 7

4 . 1 .4 . 1 .4 . 1 .4 . 1 . I n t r o d u z i o n eI n t r o d u z i o n eI n t r o d u z i o n eI n t r o d u z i o n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . p .p .p .p . 1 71 71 71 7

4 . 2 .4 . 2 .4 . 2 .4 . 2 . F u n z i o n a m eF u n z i o n a m eF u n z i o n a m eF u n z i o n a m e n t on t on t on t o , c o l o r i , a s p e t t i e l e t t r i c i , c o l o r i , a s p e t t i e l e t t r i c i , c o l o r i , a s p e t t i e l e t t r i c i , c o l o r i , a s p e t t i e l e t t r i c i . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . p .p .p .p . 1 71 71 71 7

4 . 3 .4 . 3 .4 . 3 .4 . 3 . A p p l i c a z i o n i A p p l i c a z i o n i A p p l i c a z i o n i A p p l i c a z i o n i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . p . p . p . p . 1 91 91 91 9

4 . 4 .4 . 4 .4 . 4 .4 . 4 . I l d i o d o L a s e r I l d i o d o L a s e r I l d i o d o L a s e r I l d i o d o L a s e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . p .p .p .p . 2 22 22 22 2

4 . 5 .4 . 5 .4 . 5 .4 . 5 . O L E D : i l e d o r g a n i c iO L E D : i l e d o r g a n i c iO L E D : i l e d o r g a n i c iO L E D : i l e d o r g a n i c i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . .. . . . . p .p .p .p . 2 32 32 32 3

5 .5 .5 .5 . A p p l i c a z i o n e P r a t i c aA p p l i c a z i o n e P r a t i c aA p p l i c a z i o n e P r a t i c aA p p l i c a z i o n e P r a t i c a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . p .p .p .p . 2 52 52 52 5

5 . 1 .5 . 1 .5 . 1 .5 . 1 . U s o d e i L E D p e r l a T r i c r o m i aU s o d e i L E D p e r l a T r i c r o m i aU s o d e i L E D p e r l a T r i c r o m i aU s o d e i L E D p e r l a T r i c r o m i a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p .p .p .p . 2 52 52 52 5

A 1 .A 1 .A 1 .A 1 . A p p e n d i c e 1 A p p e n d i c e 1 A p p e n d i c e 1 A p p e n d i c e 1

I n f o r m a z i o n i a g g i u n t i v e s u l I n f o r m a z i o n i a g g i u n t i v e s u l I n f o r m a z i o n i a g g i u n t i v e s u l I n f o r m a z i o n i a g g i u n t i v e s u l SSSS i l i c i oi l i c i oi l i c i oi l i c i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p . 2 7p . 2 7p . 2 7p . 2 7

e s u l G e r m a n i oe s u l G e r m a n i oe s u l G e r m a n i oe s u l G e r m a n i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p . p . p . p . 3 03 03 03 0

A 2 .A 2 .A 2 .A 2 . A p p e n d i c e A p p e n d i c e A p p e n d i c e A p p e n d i c e 2222

S i n t e s i a d d i t i v a e s i n t e s i s o t t r a t t i v a d e i c o l o r iS i n t e s i a d d i t i v a e s i n t e s i s o t t r a t t i v a d e i c o l o r iS i n t e s i a d d i t i v a e s i n t e s i s o t t r a t t i v a d e i c o l o r iS i n t e s i a d d i t i v a e s i n t e s i s o t t r a t t i v a d e i c o l o r i . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . p . p . p . p . 3 23 23 23 2

B .B .B .B . B i b l i o g r a f i a B i b l i o g r a f i a B i b l i o g r a f i a B i b l i o g r a f i a e e e e ssss i t o g r a f i ai t o g r a f i ai t o g r a f i ai t o g r a f i a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . p . p . p . p . 3 33 33 33 3

3

1 .1 .1 .1 . I n t r o d u z i o n eI n t r o d u z i o n eI n t r o d u z i o n eI n t r o d u z i o n e E dopo 5 anni…

Non so se dare per scontato – dato che ormai lo sanno tutti – il fatto che la mia passione fin dai primi anni d’età sia stata l’elettronica e derivati. Spesso mi sono sentito dire da molti “Ma perché non sei andato a un istituto tecnico?”, “Ma che ci fai tu qua al Liceo?”. Inizialmente rispondevo “Eh, sì… non so neanche io… forse era meglio se andavo altrove…”. Ma dopo poco tempo ho iniziato a rispondere “Uno vale l’altro…”. E infine rispondevo: “Beh… cos’ha che non va questo Liceo?”. Insomma, nonostante la mia non grande simpatia per alcune materie umanistiche, mi sono trovato bene per una serie di ragioni che non andrò ad elencare… diciamo solo – perché è giusto notarlo – che il Liceo Scientifico “Le Filandiere” si è rivelato accogliente e offre poi, in uscita, tutte le possibilità che si desiderino. …la tesina.

E’ certo però – e lo sapevo fin dai primi anni – che come “tesina” all’esame di maturità avrei portato un argomento in tema con la mia passione: elettronica. Per derivati intendevo elettrotecnica, informatica, automazione, tutte scienze che, soprattutto al giorno d’oggi, è impossibile slegare. Non credevo però che decidere, scegliere definitivamente l’esatto argomento da affrontare sarebbe stato così difficile. E non è neppure facile spiegare il perché; tuttora non lo capisco neppure io. Cercherò brevemente di spiegarlo. Innanzitutto la mia passione se pur profonda, vive nel caos: basta guardare il laboratorio! I cosiddetti progetti, come la tesina, giungono alla luce della mente quando meno me l’aspetto, come lampi. Poi passo alla fase realizzazione (e/o ricerca). Poi viene un altro momento in cui di punto in bianco sparisce l’idea e con essa la voglia di realizzarla… Ma mi sto dilungando in introspezioni che non è il momento di effettuare. Tornando a noi, dovevo trovare un argomento per la tesina. Ovviamente il primo criterio a cui questo argomento doveva sottostare è che mi appassionasse particolarmente, altrimenti cadono le premesse per cui valeva la pena di fare la tesina. Il secondo e terzo criterio da valutare consistono nel fatto che l’argomento deve legarsi almeno in parte, e almeno per una materia, al programma svolto durante gli anni di Liceo, e suscitare un minimo di interesse nel pubblico che dovrà ascoltare. Alcuni insegnanti mi dissero, a suo tempo, che non aveva importanza ne l’uno né l’altro criterio, altri mi facevano però giustamente capire che non è proprio così. Infatti inizialmente l’idea si concentrava su un aspetto molto tecnico e specializzato1, che avevo affrontato per interesse personale. Ma era solo un’idea. Dopo alcuni suggerimenti ed ulteriori indecisioni, finalmente ho deciso di affrontare l’argomento “LED e semiconduttori”. « LED e semiconduttori »

I semiconduttori, come vedremo meglio nei prossimi capitoli, non sono altro che materiali, elementi chimici come il silicio, che grazie alle loro proprietà elettriche permettono l’esistenza stessa dell’elettronica moderna, per non parlare dei computer, che vivono di silicio. Ho deciso di soffermarmi su una delle applicazioni dei semiconduttori, i LED, che non sono altro che le piccole “lucette” dei televisori, delle radio, ormai di qualunque apparecchiatura elettrica. La cosa bella dei LED è che sono economici, durevoli e soprattutto versatili, dato che sono usati dall’apparecchiatura più professionale al più semplice dei giocattoli, per segnalare, illuminare, colorare, divertire, lavorare, e chi più ne ha più ne metta! Una nota di carattere generale: parlando di semiconduttori si va inevitabilmente incontro ad aspetti di fisica complessi, che includono nozioni come “bande di energia degli atomi”, e studi matematici che ho preferito tralasciare, e non inserire nemmeno in appendice perché a questa tesina non volevo attribuire un carattere di quel tipo, ma cercare di toccare aspetti più interessanti e comprensibili.

Alessandro Mauro

1 un protocollo di trasmissione dati usato in illuminotecnica

4

2 .2 .2 .2 . I S e m i c o n d u t t o r i I S e m i c o n d u t t o r i I S e m i c o n d u t t o r i I S e m i c o n d u t t o r i

2 . 1 2 . 1 2 . 1 2 . 1 C o s a s o n o ?C o s a s o n o ?C o s a s o n o ?C o s a s o n o ?

Gli elementi chimici si distinguono, solitamente, in conduttori elettrici e isolanti, a seconda della loro struttura interna di legame. Ad esempio sono conduttori i metalli (è usato in particolare il rame) e isolanti i non-metalli, le plastiche, le ceramiche. Tra queste due categorie trovano collocazione elementi come il Silicio (Si) e il Germanio (Ge) che presentano caratteristiche intermedie e sono quindi detti semiconduttori. I conduttori, come dice il termine, conducono l’elettricità lasciando “correre”, anzi più precisamente “saltare” gli elettroni da un atomo all’altro. Gli isolanti invece a causa della loro struttura più vincolante per gli elettroni non lasciano scorrere la corrente elettrica. Nei semiconduttori, invece, la conducibilità2 aumenta aumentando la temperatura, oppure introducendo delle impurità (elementi estranei) e quindi alterando il loro reticolo cristallino. A basse temperature un semiconduttore si comporta da isolante, mentre ha una certa conducibilità a temperatura ambiente; allo stesso modo introducendo un atomo di Arsenico (As, che possiede un elettrone in più) nel reticolo del Silicio, avremo un elettrone libero di muoversi e “trasportare” così una corrente elettrica aumentando la conducibilità del semiconduttore).

2 . 2 2 . 2 2 . 2 2 . 2 D o v e s i t r o v a n oD o v e s i t r o v a n oD o v e s i t r o v a n oD o v e s i t r o v a n o ????

Abbiamo detto che i materiali semiconduttori sono prevalentemente Silicio e Germanio, ma si possono anche creare chimicamente dei semiconduttori composti (formati da molecole contenenti diversi elementi). Ad esempio Arseniuro di Gallio, Arseniuro di Gallio e Alluminio, Fosfuro di Indio, Nitruro di Gallio, Carburo di silicio. L’Arseniuro di Gallio (GaAs), caratterizzato da un’elevata mobilità degli elettroni, è quello che trova maggiore applicazione nei dispositivi elettronici ad alta velocità e nei dispositivi ad emissione di luce (i “nostri” LED di cui parleremo più approfonditamente, ma anche Laser, generatori di Microonde3 e Onde Radar di piccola portata4). Il silicio compone la crosta terrestre per il 25,7% e dopo l'ossigeno è il secondo elemento più abbondante sul pianeta. Tuttavia il silicio non si trova mai in forma pura, ma sempre come ossido (ametista, agata, quarzo, rocce cristalline, selce, diaspro, opale) e silicati (Granito, amianto, feldspato, argilla, hornblenda, mica e altri). Una piccola nota per chi si sta dicendo: “ma parliamo arabo?”. Il silicio non è altro che sabbia, e argilla. Questi due materiali ben noti a tutti e così diffusi sono costituiti, infatti, da diossido di silicio. Per mezzo di opportune lavorazioni chimiche (processo di purificazione) è possibile ottenere da queste rocce il silicio in forma elementare. Per ulteriori informazioni sul silicio vedere l’Appendice A1. Il germanio invece si trova nell'argirodite (solfuro di germanio e argento), ma anche nel carbone, nella germanite, in minerali di zinco e in altri minerali ancora. Si ricava commercialmente dalla polvere di lavorazione dei minerali di zinco e dai sottoprodotti di combustione di certi tipi di carbone. Una grande riserva di germanio è costituita, infatti, dalle miniere di carbone. Altre informazioni nell’Appendice A1.

2 Capacità di lasciar scorrere un flusso di corrente elettrica, inversamente proporzionale alla resistenza del materiale. 3 Le microonde sono radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'onda compresa tra il campo delle onde radio e della radiazione infrarossa. Sono usate (anche se non prodotte da semiconduttori, in questi casi) nei forni omonimi, per ponti radio, telefoni GSM, comunicazione con i satelliti, maser (laser che producono radiazioni dello spettro delle microonde), ecc. 4 Come quelli installati sulle automobili per avvertire la presenza di un ostacolo.

5

2 . 3 2 . 3 2 . 3 2 . 3 D r o g a g g i oD r o g a g g i oD r o g a g g i oD r o g a g g i o

Abbiamo detto che i semiconduttori si comportano quasi da isolanti, a meno che non si aumenti considerevolmente la temperatura o in presenza di “impurità”. Dato che la temperatura è un parametro praticamente impossibile da controllare, semmai lo si vuole rilevare5, la seconda possibilità è fondamentale per costruire tutti i tipi di componenti elettronici. In questo caso si parlerà di drogaggio. Drogare il silicio con atomi di Arsenico, Fosforo, Boro, ecc. significa inserire atomi di questi elementi fra gli atomi di Silicio. Le percentuali di elementi droganti utilizzate per effettuare il drogaggio sono bassissime, si parla per l'appunto di impurità elettroniche in quanto tali impurità sono in grado di modificare le proprietà elettriche del semiconduttore ma non le proprietà chimiche dello stesso. L'entità del drogaggio si misura in atomi per centimetro cubo. I drogaggi più bassi che si possono ottenere sono dell'ordine di 1013 atomi/cm3. I drogaggi più elevati sono dell'ordine di 1020 atomi/cm3. Si noti che, come precedentemente esposto, i numeri in gioco sono molto lontani dal numero di atomi di Silicio in un centimetro cubo di materiale che è dell'ordine di 1024. Il drogaggio serve appunto a creare una modificazione del numero degli elettroni negli ultimi livelli (quelli più esterni, meno vincolati). Si può far in modo che venga a trovarsi un elettrone libero in più, oppure una lacuna, cioè un “buco” dove manca un elettrone. Nel primo caso si parlerà di drogaggio di tipo N (negativo), mentre nel secondo caso si ha il drogaggio di tipo P (positivo). Drogaggio di tipo N.

L'atomo drogante ha un elettrone in più di quelli che servono per soddisfare i legami del reticolo cristallino e tale elettrone acquista libertà di movimento all'interno del semiconduttore. Per comprendere come si effettua il drogaggio di tipo N, consideriamo il caso del silicio. Gli atomi di silicio hanno quattro elettroni di valenza (cioè quattro elettroni nel livello più esterno, quello che interviene nei legami), ciascuno dei quali è legato in modo covalente a uno dei quattro atomi adiacenti di silicio. Se un atomo con cinque elettroni di valenza, come uno del Gruppo VA della tavola periodica (ad esempio Fosforo (P), Arsenico (As), o Antimonio (Sb)), viene incorporato nel reticolo cristallino al posto di un atomo di silicio, allora quell’atomo avrà quattro legami covalenti e un elettrone senza legami. Questi droganti sono chiamati “donatori”. Questo elettrone aggiuntivo è solo debolmente legato all'atomo e può facilmente spostarsi conducendo una corrente elettrica. Drogaggio tipo P.

L'atomo drogante ha un elettrone in meno di quelli che servono per soddisfare i legami del reticolo cristallino e tale mancanza di elettrone, indicata con il nome di lacuna, si comporta come una particella carica positivamente e si può spostare all'interno del semiconduttore. Nel caso del silicio, un atomo trivalente (con tre elettroni di valenza), come il boro, sostituisce un atomo di silicio nel reticolo cristallino. Il risultato è che un elettrone manca da uno dei possibili quattro legami covalenti. Questi droganti sono chiamati “accettori”, e quello di gran lunga più usato è il Boro (B). I diamanti blu, che contengono impurità di boro, sono un esempio naturale di semiconduttore drogato P.

5 Vedremo nel capitolo 3 come, nonostante un aumento di temperatura di aumenti la conducibilità di un semiconduttore, si preferisca in ogni caso drogarlo per sfruttare l’effetto Joule come in un conduttore (ma con una maggiore precisione).

6

2 . 4 2 . 4 2 . 4 2 . 4 G i u n z i o nG i u n z i o nG i u n z i o nG i u n z i o n eeee PPPP ---- NNNN Una giunzione P-N può essere creata drogando regioni vicine di un semiconduttore con droganti di tipo P e di tipo N. Se una tensione elettrica positiva viene applicata al lato di tipo P, i portatori di carica positivi, le lacune, maggioritari in questa regione sono spinti verso la giunzione, attratti dalla zona a carica negativa N. Ugualmente, i portatori di carica maggioritari nel lato N, gli elettroni, vengono attratti dalla tensione positiva e quindi sono attratti verso la giunzione. Poiché si ha un’abbondanza di portatori di carica presso la giunzione, la corrente può scorrere attraverso di essa. Se invece la polarizzazione della tensione viene invertita, le lacune e gli elettroni vengono allontanati dalla giunzione, lasciando una regione di silicio quasi isolante che non consente il flusso di corrente. La giunzione P-N è la base del dispositivo elettronico chiamato diodo, che consente il flusso di corrente solo in una direzione del dispositivo. Due giunzioni p-n molto ravvicinate tra loro formano invece il dispositivo a tre terminali transistore bipolare o transistor, che può essere quindi di tipo P-N-P o N-P-N).

Polarizzazione in diretta

Polarizzazione in inversa

7

3 . 3 . 3 . 3 . I C I C I C I C o m p o n e n t i E l e t t r o n i c io m p o n e n t i E l e t t r o n i c io m p o n e n t i E l e t t r o n i c io m p o n e n t i E l e t t r o n i c i

3 . 13 . 13 . 13 . 1 T a p p eT a p p eT a p p eT a p p e s t o r i s t o r i s t o r i s t o r i c h ec h ec h ec h e : d a l t u b o a v u o t o a l t r a n s i s t o r: d a l t u b o a v u o t o a l t r a n s i s t o r: d a l t u b o a v u o t o a l t r a n s i s t o r: d a l t u b o a v u o t o a l t r a n s i s t o r

Guglielmo Marconi fu sicuramente un pioniere dell’elettronica, realizzando le prime applicazioni radio, anche se era da considerare più elettrotecnica in quanto non si faceva ancora uso di alcun componente attivo. Un componente attivo è un dispositivo all’interno del quale si svolge una certa attività che va oltre al semplice scorrere o accumularsi delle cariche elettriche. Nel 1904 è stata costruita la prima valvola termoionica o tubo a vuoto, ad opera dell’ingegnere britannico John Ambrose Flemming, dell’University College di Londra. Si trattò di un vero salto di qualità in quanto questo componente, del tutto analogo ad un moderno diodo, permetteva di realizzare un raddrizzatore cioè un dispositivo che trasformasse una corrente alternata in corrente continua. La valvola termoionica6 consiste in un tubo di vetro all’interno del quale è stato fatto il vuoto e sono stati inseriti due elettrodi: una piastrina detta anodo (carica positivamente) ed un filamento detto catodo (carico negativamente). Il catodo al passaggio della corrente si riscalda per effetto termoionico7 ed emette elettroni che raggiungono l’anodo. La particolarità di questa valvola è che il passaggio della corrente avviene in un’unica direzione e cioè dal catodo verso l’anodo, in senso contrario la corrente non può passare. Seguì a breve, ad opera di Lee de Forest nel 1907, la costruzione di un nuovo tipo di valvola termoionica, chiamata triodo, perché tra il catodo e l’anodo viene collocato un terzo elettrodo chiamato griglia. Gli elettroni nel loro percorso si fermano alla griglia se questa ha carica positiva; viceversa corrono ancora più veloci verso l’anodo se la griglia ha carica negativa che li respinge. In poche parole con minime variazioni di corrente sulla griglia è possibile controllare il flusso di elettroni dal catodo all’anodo e quindi grandi variazioni di corrente tra i due elettrodi principali della valvola. Il triodo diventa quindi l’analogo del moderno transistor, ed è capace di amplificare un segnale debole (sonoro, ad esempio) in uno molto più forte.

Nel 1927 fu creato il tetrodo, una valvola a cui era aggiunta una seconda griglia detta griglia schermo, per poter amplificare segnali in alta frequenza. In seguito fu introdotto anche il pentodo, con una terza griglia detta di soppressione, per ridurre la distorsione. Il pentodo è il punto di arrivo dello sviluppo della valvola termoionica ed era usato ad esempio nello stadio di ricezione delle vecchie radio. Sino agli anni '60, tubi termoionici di vari tipi venivano impiegati in quantità in apparecchiature elettroniche quali ricevitori e trasmettitori radio, televisori ed in generale in tutti i tipi di amplificatori di segnali elettrici. Anche i primi calcolatori elettronici furono realizzati interamente mediante tubi termoionici.

diodo

triodo

tetrodo

pentodo

6 Alcuni preferiscono definirla valvola termoelettronica, in quanto tra i due elettrodi non vi è passaggio di ioni, ma di elettroni. 7 L'effetto termoionico, detto anche effetto termoelettronico, è l'emissione di elettroni da parte di un materiale (tipicamente un metallo) che si riscalda a seguito del passaggio di una corrente elettrica. L'emissione degli elettroni avviene perché questi ultimi acquistano, in virtù del riscaldamento del materiale, un'energia termica superiore alla lavoro di estrazione di quel dato materiale.

Uno dei primi prototipi di valvola termoionica

8

Sebbene oggi i transistor, nelle loro varie forme e tipologie, abbiano soppiantato le valvole in quasi ogni applicazione, esse restano gli unici mezzi per amplificare segnali a potenze molto alte, dell'ordine del Kilowatt o ancora superiori, e per particolari apparati audio di alta fedeltà. Un tubo a vuoto, il magnetron, è presente in ogni comune forno a microonde. Anche il tubo catodico dei televisori non è altro che un particolare tipo di tubo termoionico. Dopo la prima guerra mondiale l’elettronica si sviluppò molto rapidamente, soprattutto per merito della radio, che in questo periodo era la sua applicazione di punta; nella teoria dei circuiti una pietra miliare fu nel 1927 l'invenzione del primo circuito a reazione, che permetteva di raggiungere con pochi componenti prestazioni nettamente superiori, mentre gli apparecchi radio si facevano sempre più sofisticati.

Ma fu solo con la seconda guerra mondiale, all’inizio degli anni ’50, che si ebbe la svolta. Già il 23 febbraio 1939 Russel Ohl scoprì casualmente la giunzione P-N, esaminando la differenza di conducibilità tra due lati di un cristallo di silicio con una crepa. Il 23 dicembre 1947 Walter Brattain costruì il primo transistor e nel 1956 ricevette, insieme a William Shockley e John Bardeen il premio Nobel per la fisica con la motivazione: “per le ricerche sui semiconduttori e per la scoperta dell'effetto transistor”. Il primo tipo di transistor sperimentato e poi prodotto fu il transistor bipolare o BJT, in cui sia elettroni che lacune contribuiscono al passaggio della corrente. In seguito furono creati altri tipi di transistor, in cui il passaggio di corrente avveniva grazie ad un solo tipo di portatori di carica (o elettroni o lacune), detti FET, acronimo di

Field Effect Transistor. Sia i FET che i BJT, nel tempo, hanno dato origine a molti tipi diversi di transistor, usati per gli scopi più vari.

3 . 2 C o m p o n e n t i c h e u t i l i z z a n o i s e m i c o3 . 2 C o m p o n e n t i c h e u t i l i z z a n o i s e m i c o3 . 2 C o m p o n e n t i c h e u t i l i z z a n o i s e m i c o3 . 2 C o m p o n e n t i c h e u t i l i z z a n o i s e m i c o n d u t t o r in d u t t o r in d u t t o r in d u t t o r i Da quando è stato inventato il primo transistor, l’elettronica ha fatto passi da gigante e sono stati inventati e costruiti così moltissimi componenti che utilizzano i semiconduttori per svolgere una determinata funzione. Oltre al “semplice” diodo e al transistor, di cui esistono poi decine di tipologie e varianti, sono stati costruiti diodi LED e Laser che sono in grado di emettere luce, Celle Fotovoltaiche capaci invece di compiere la funzione inversa e cioè produrre una corrente elettrica grazie alla luce, e svariati tipi di sensori, ossia dispositivi capaci di rispondere elettricamente variando un segnale (una corrente) in base alla quantità di luce che li colpisce, alla temperatura, ecc. Sarebbe interessante analizzare ciascuno di questi componenti, ma questa tesina rischierebbe di trasformarsi in un trattato sull’elettronica, e mi sono già dilungato troppo con le premesse. Pertanto cercherò di carrellare brevemente i principali componenti elettronici che sfruttano i semiconduttori, ossia diodi e transistor, tralasciando per un attimo tutti gli altri componenti che se pur importanti sono meno diffusi e il cui funzionamento è in linea di massima riconducibile ai due citati capostipiti.

IL DIODOIL DIODOIL DIODOIL DIODO

Abbiamo già visto nel paragrafo 2.4 come basti drogare differentemente due zone adiacenti di un semiconduttore per creare una giunzione P-N, cioè un diodo. E’ sufficiente aggiungere

due contatti metallici per permettere il collegamento della zona P, chiamata anodo (A) e della zona N chiamata catodo (K). Per il funzionamento, rimando alle figure e spiegazioni del paragrafo 2.4 (sulla giunzione N-P). Quando il diodo viene fatto attraversare da una corrente elettrica nel verso convenzionale, cioè dall’anodo verso il catodo, si dice che il diodo è polarizzato in diretta. In questo caso il diodo si comporta da

Replica del primo transistor

9

conduttore, anche se presenterà una certa caduta di tensione costante (a temperatura ambiente). I diodi a giunzione P-N di silicio sono costruiti in modo che questa caduta sia di circa 0,7 volt. Quando invece una tensione positiva è collegata al catodo, si dice che il diodo è polarizzato in inversa. In questo caso nei pressi della giunzione si crea una zona priva di portatori di cariche (che vengono attratti alle estremità del diodo), e pertanto il diodo si comporta quasi da isolante, tuttavia entro certi limiti. Si deve sempre considerare infatti che in elettronica vi sono sempre dei limiti oltre i quali il componente risponde diversamente. Infatti, se polarizzato in inversa, un diodo non è perfettamente isolante ma lascia passare una certa, se pur infinitamente piccola, corrente di perdita. Se la tensione ai capi del diodo aumenta e supera un certo valore di soglia detto tensione di Zener, il diodo si porta in conduzione perché al suo interno si vengono a creare ulteriori elettroni di conduzione. Il diodo si dice in questo caso in regime di valanga o di breakdown. Finché la potenza dissipata (e quindi la corrente) all’interno del diodo rimane entro certi valori, la situazione non è dannosa per il diodo, anzi i diodi Zener sono espressamente progettati per questa funzione. Ma se si superano certi valori si provoca la distruzione del componente. La tensione di lavoro (di caduta) non è sempre 0,7 volt perchè dipende dal tipo di giunzione. E’ più bassa nel caso di diodi Schottky (0,2 v), al Germanio (0,2 v) o all’Arseniuro di Gallio (0,5 v), mentre è più alta nel caso dei diodi LED (dipende dal colore, da 1,3 a 3 volt). diodi LED e diodi Laser: li vedremo nel capitolo successivo.

Progettati appositamente per mantenere ai capi, lavorando in regime di valanga, una tensione pressoché costante.

In questi diodi la barriera di potenziale non si crea fra due zone di semiconduttore diversamente drogate ma fra un metallo e un semiconduttore: il

vantaggio di questa struttura è che si elimina parte della zona svuotata intrinseca che in questi diodi è molto più sottile del normale. Questo permette ai diodi Schottky di commutare (passare dallo stato di conduzione a quello di interdizione e viceversa) molto rapidamente, riuscendo a raddrizzare tensioni alternate fino a frequenze di oltre 300 MHz;

Presso la giunzione si forma una sorta di condensatore. In questo modo il diodo è come se fosse effettivamente un condensatore controllato in tensione, perché

la capacità diminuisce con l’aumentare della tensione inversa. Questo diodo è usato nella sintonia delle radio moderne (prive di manopola della sintonia, che è in realtà un condensatore variabile necessario alla selezione della frequenza portante di sintonia) e nei circuiti VCO (oscillatori controllati in tensione);

Fra le zone P ed N vi è una zona “i” (intrinseca) di semiconduttore non drogato, che aumenta la resistenza, ma viene invasa da portatori

di carica durante le fasi di conduzione. In questo modo il diodo può resistere a tensioni e correnti molto più elevate senza distruggersi.

Altri tipi di diodo, usati più raramente, sono: il diodo Tunnel, diodo inverso, diodo a tempo di transito, diodo Gunn, diodi IMPATT, TRAPATT, BARITT.

Particolarmente interessanti risultano essere i fotodiodi, il cui scopo è di rivelare la radiazione luminosa (visibile o infrarossa) che colpisce il corpo del diodo stesso. La struttura interna di un

fotodiodo è molto simile a quella dei diodi PIN: la zona intrinseca è progettata per reagire alla luce generando una coppia di portatori (un elettrone e una lacuna) che contribuiscono al passaggio di corrente attraverso il diodo. Si usano in polarizzazione inversa: in questa condizione, la corrente che attraversa il diodo è dovuta (quasi) esclusivamente alla luce incidente, ed è proporzionale all'intensità luminosa.

diodi Zener

diodi Schottky

diodi Varicap

diodi PiN (o diodi di potenza)

10

IL IL IL IL TRANSISTORTRANSISTORTRANSISTORTRANSISTOR

Una doppia giunzione, quindi P-N-P o N-P-N, dà origine ad un transistor bipolare o BJT. La zona centrale, N o P, è collegata al terminale detto base B, mentre le due zone alle estremità sono dette collettore C ed emettitore E. Quando la giunzione base-emettitore viene polarizzata direttamente, i portatori di carica (elettroni e lacune) che transitano attraverso di essa diffondono verso la vicina giunzione

collettore-base, dove vengono in gran parte catturati dal campo elettrico interno alla giunzione stessa, che in questo modo viene percorsa da corrente anche se polarizzata inversamente. Un transistor è cioè analogo al tristore, poiché è in grado di amplificare una debole corrente applicata sulla base. Si può paragonare la base di un transistor ad un rubinetto che lascia passare o blocca il flusso di corrente tra collettore ed emettitore. Il principale impiego del transistor è infatti come amplificatore di segnali elettrici. In generale si possono distinguere due circuiti. Uno è quello “d’entrata”: il segnale è applicato tra la base e l’emettitore. Il secondo è quello d’uscita: una corrente scorre fra emettitore e collettore. Le due versioni PNP e NPN del transistor sono complementari, infatti funzionano nello stesso identico modo, ma le tensioni ai loro capi sono invertite.

In un transistor FET (transistor ad effetto di campo), invece, i tre terminali sono chiamati gate G (porta), source S (sorgente) e drain D (pozzo) rispettivamente, e l'effetto transistor si ottiene tramite il campo elettrico indotto dalla tensione applicata al terminale gate che respinge i portatori di carica del silicio del canale fra source e gate, variandone la resistenza elettrica: più la tensione fra gate e source è grande, più ampia diventa la regione svuotata non

conduttrice, priva di portatori, e più cresce la resistenza elettrica fra souce e drain. Rispetto ai transistor bipolari i FET presentano il vantaggio di avere il terminale di controllo (gate) isolato, in cui non passa alcuna corrente: lo svantaggio invece è che un transistor FET non è in grado di offrire molta corrente in uscita: in genere i circuiti con transistor FET hanno una alta impedenza di uscita, cioè erogano correnti molto deboli. Anche i FET come i transistor bipolari possono essere realizzati in due versioni complementari, a canale P fiancheggiato da regioni N o a canale N fiancheggiato da regioni P (come quello della figura); come nei bipolari il funzionamento è identico, ma a polarità invertite.

canale P

canale N

11

I transistori MOSFET sono dei Fet in cui la tensione applicata sul Gate non solo crea una zona svuotata priva di portatori, ma se cresce oltre una tensione detta "di soglia", provoca una inversione di popolazione nel silicio a ridosso dello strato di ossido: nella figura a lato, le due regioni dei terminali di source e drain sono ricavate da silicio P, e sono in comunicazione elettrica tramite il "canale P" creato per inversione nello strato N che le separa, grazie alla tensione applicata al gate sulla barriera superficiale di ossido. Anche qui, è possibile invertire le regioni: in figura è riportato un mosfet a canale p (p-mos), il suo complementare (n-mos) si ricava con un substrato P su cui sono inserite le regioni N

di source e drain. Come nel caso dei bipolari, anche il funzionamento dei p-mos e degli n-mos è (quasi) identico, ma a polarità invertite. Mentre i transistor BJT sono principalmente usati, per il loro alto guadagno, come amplificatori nell'elettronica analogica, i MOSFET sono largamente utilizzati nell'elettronica digitale, soprattutto per la loro struttura molto semplice che li rende facili da costruire e di economico impiego nei circuiti integrati: un ulteriore vantaggio è il basso consumo di energia che si traduce in meno problemi di dissipazione termica, mentre lo svantaggio principale è che sono più lenti nel cambiare stato rispetto ai transistor bipolari. I moderni circuiti integrati a mosfet (microprocessori, DSP, microcontrollori, etc...) usano tutti la tecnologia CMOS (complementary mos), in cui si usano transistor p-mos e n-mos accoppiati. Con l'evolversi della tecnologia sono stati creati anche altri tipi di transistor, dotati di caratteristiche diverse o adatti a usi particolari: per esempio il transistor unigiunzione (UJT) è un generatore di impulsi e non può amplificare nè commutare. Gli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) invece sono dispositivi ibridi fra i transistor bipolari e i Mosfet, adatti a maneggiare forti correnti.

IL TERMISTOREIL TERMISTOREIL TERMISTOREIL TERMISTORE Ho voluto inserire anche quest’altro componente solo per fornire una delucidazione sul discorso accennato nel capitolo circa il rilevamento di una temperatura. Si potrebbe dire che basti sfruttare la proprietà di un semiconduttore di aumentare la propria conducibilità (diminuire la resistenza) con l’aumento di temperatura. In realtà si preferisce drogare il semiconduttore comunque: così facendo esso assume le caratteristiche di un conduttore e si comporterà in maniera opposta nei confronti della temperatura, aumentando la resistenza all’aumentare della temperatura (come in una termoresistenza, composta da materiali metallici, ad es. platino). L’unica differenza è che un termistore, il dispositivo che sfrutta un semiconduttore drogato per rilevare una temperatura, risulta molto più sensibile alle variazioni. Un termistore (come una termoresistenza) risponde sfruttando il principio noto come effetto Joule, secondo il quale al variare della temperatura varia anche l’opposizione di un materiale (conduttore o semiconduttore) al passaggio della corrente elettrica. Osservando una caduta di tensione agli estremi del dispositivo è possibile risalire alla temperatura dell’ambiente o del fluido in cui è immerso.

12

3 .3 .3 .3 . 3333 I n t e g r a z i o n e I n t e g r a z i o n e I n t e g r a z i o n e I n t e g r a z i o n e Per completare il discorso su diodi e transistor, occorre osservare altre due tappe fondamentali della storia dell’elettronica. A partire dagli anni ‘50 si iniziò a realizzare i primi circuiti stampati. Si tratta di piastre di materiale isolante, in genere vetronite o bachelite, sulle quali sono disposti tutti i componenti necessari alla realizzazione di un circuito. Su questa piastra, inoltre, sono“stampate” delle striscioline di rame che consentono la connessione dei diversi componenti. Inizialmente queste striscioline erano presenti solo nel lato inferiore (monofaccia); successivamente anche in quello superiore (doppia faccia); oggigiorno vengono interposte in diversi strati (o layer in inglese, il tutto in 1,5 mm circa di spessore totale), per consentire una elevata integrazione, cioè riduzione al minimo dello spazio ingombrato dal circuito. Oltre all’integrazione del circuito stampato, negli anni ’60 furono costruiti i primi circuiti integrati. Più precisamente il primo fu costruito nel 1958 da Jack St. Clair Kilby, e conteneva circa dieci elementi. Un circuito integrato infatti non è altro che un circuito completo costruito però in modo che ingombri uno spazio ridotto. Un circuito integrato è racchiuso in un contenitore di materiale plastico o ceramico; il suo livello di integrazione si misura in genere in quantità di transistor in esso contenuti, anche se in realtà al suo interno trovano posto anche diodi, condensatori, resistenze, ecc. Al giorno d’oggi si trovano sul mercato circuiti integrati progettati per specifiche funzioni ricorrenti nel mondo dell’elettronica, come oscillatori, sintonizzatori, amplificatori, e le cosiddette porte logiche, ossia circuiti in grado di svolgere le più elementari, ma fondamentali, operazioni matematiche usando

gli operatori logici AND, OR (vel), XOR (aut), NOT, e così via. Assieme a questi integrati è stata introdotta la logica binaria, in cui utilizzando solo segnali elettrici che o ci sono o non ci sono si possono riprodurre le cifre 0 e 1 del sistema binario. Infatti risulta molto più semplice affidarsi a questo sistema per eseguire ad esempio dei calcoli o trasferire dei dati, anziché usare ad esempio il sistema decimale (sarebbero serviti 10 livelli di tensione differenti per rappresentare le 10 cifre da 0 a 9, il che avrebbe complicato la situazione). Con tutte queste premesse, siamo arrivati ai più moderni computer, le cui schede madri (circuito stampato principale) sono costruite a 4 o 5 strati, e i cui processori (circuito integrato principale, detto anche CPU, Unità Centrale di Processo, perché il suo compito è processare dei dati, eseguendo su di essi una funzione contenuta in un programma) contengono anche 42 milioni di transistor, occupando uno spazio di soli 2x2 cm circa!

Un circuito stampato visto dal lato componenti e dal lato delle piste di rame.

Sotto, dei circuiti integrati.

Sopra, la tavola di verità delle porte logiche.

A lato, una moderna scheda madre e

un processore di computer.

13

3 .3 .3 .3 . 4444 C e l l e F o t o v o l t a i c h e C e l l e F o t o v o l t a i c h e C e l l e F o t o v o l t a i c h e C e l l e F o t o v o l t a i c h e E’ doveroso considerare anche un diverso utilizzo dei semiconduttori, non più subordinati ad una fonte di energia elettrica esterna, ma essi stessi come fonte di energia elettrica. Tramite il cosiddetto effetto fotovoltaico, all’interno della cella omonima la luce (meglio se solare perché dotata di maggiore energia, essendo costituita da un

ampio spettro) colpisce dei cristalli di silicio ai cui capi si sviluppa una certa corrente continua. La potenza elettrica sviluppata da una singola cella è molto bassa, per questo le celle fotovoltaiche si riuniscono in genere a formare un pannello o modulo fotovoltaico, ad esempio piccoli moduli li possiamo trovare su una calcolatrice. Parecchi moduli si riuniscono a loro volta a formare un campo fotovoltaico in grado di fornire potenze anche elevate, tali da fornire corrente, a seconda delle dimensioni, ad un’abitazione o tali da costituire una centrale elettrica. A tal proposito è bene considerare questa fonte di energia pulita e rinnovabile; tanto se ne parla tuttavia il suo utilizzo rimane limitato a causa dei costi dei pannelli. Il rendimento di un pannello fotovoltaico, cioè la percentuale di

energia captata e trasformata rispetto a quella totale giunta sulla superficie del modulo, è compreso tra il 10% - 15% nei modelli commerciali, ma si stanno studiando prototipi che raggiungono il 30%. Il rendimento può dipendere anche dall’irraggiamento cui le celle sono esposte, dall’angolazione di incidenza dei raggi, e dallo spettro delle radiazioni luminose che li colpiscono. Dal rendimento dipendono ovviamente, a parità di energia elettrica richiesta, le dimensioni del campo fotovoltaico. Non bisogna comunque confondere il pannello fotovoltaico con il pannello solare, anche se spesso gli viene erroneamente attribuito questo nome. Il pannello solare o collettore solare è un dispositivo che concentra l'energia solare e la immagazzina per un uso successivo, ad esempio riscaldando l’acqua che scorre in delle tubature. Nel caso di un impianto fotovoltaico domestico, i pannelli saranno in grado di fornire tutti e 3 i kW di energia normalmente disponibili in un’abitazione e una serie di accumulatori potranno immagazzinare l’energia per essere utilizzata durante la notte. Produzione

L'insieme di celle fotovoltaiche vengono collegate elettricamente, a formare un modulo, mediante ribbon, ovvero sottili nastri in materiale conduttore, in genere rame stagnato. I moduli fotovoltaici più comuni sono realizzati mediante pressofusione di più strati di materiale. Sopra una superficie posteriore di supporto, in genere realizzata in un materiale isolante con scarsa dilatazione termica, come il vetro temperato o un polimero come il tedlar, vengono appoggiati un sottile strato di acetato di vinile (spesso chiamato con la sigla EVA), la matrice di moduli preconnessi mediante i già citati ribbon, un secondo strato di acetato e un materiale trasparente che funge da protezione meccanica anteriore per le celle fotovoltaiche, in genere vetro temperato. Dopo il procedimento di pressofusione, che trasforma l'EVA in mero collante, le terminazioni elettriche dei ribbon vengono chiuse in una morsettiera stagna generalmente fissata alla superficie di sostegno posteriore, e il "sandwich" ottenuto viene fissato ad una cornice in alluminio, che sarà utile al fissaggio del pannello alle strutture di sostegno atte a sostenerlo e orientarlo opportunamente verso il sole.

Tipico modulo in silico monocristallino

14

Le celle fotovoltaiche commerciali possono essere principalmente di 5 tipi: - Silicio monocristallino, in cui ogni cella è costituita da un wafer prodotto

da un lingotto di silicio purissimo (rendimento 14%) - Silicio policristallino, in cui il lingotto è prodotto mediante drogaggio

chimico (rendimento 13%); - Silicio amorfo, in cui gli atomi silicei vengono deposti chimicamente in

forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno, permettendo la flessione del modulo (rendimento 6%);

- Eterogiunzione, in cui viene impiegato uno strato di silicio cristallino come superficie di sostegno di uno o più strati amorfi, ognuno dei quali ottimizzato per una specifica sotto-banda di radiazioni (rendimento 16%);

- Silicio microsferico, in cui si impiega silicio policristallino ridotto in sfere del diametro di circa 0,75 mm ingabbiate in un substrato di alluminio.

Anche in questo caso è permessa la flessione del modulo (rendimento 10%).

Il pannello di silicio amorfo è quello che presenta un rendimento notevolmente più basso, tuttavia ha un costo di produzione per ogni Wp8 molto basso. In poche parole questo tipo di pannello è il più economico della categoria a parità di potenza disponibile, anche se occorrerà il doppio di superficie illuminata.

Costi e fattibilità

Il costo di un impianto domestico è relativamente elevato, ma molti stati agevolano l'investimento in questi impianti o con un contributo a fondo perduto, oppure con l'acquisto della corrente elettrica prodotta ad un prezzo favorevole. Dopo una spesa di capitale iniziale, i moduli fotovoltaici odierni hanno una vita stimata di 50 anni circa. Si può ipotizzare però che dopo 25 anni vadano sostituiti per obsolescenza o perdita di rendimento. inoltre gli accumulatori andranno sostituiti più spesso per l’usura chimica. Sono appunto questi, legati alla consistente spesa iniziale, i problemi che, nonostante le agevolazioni, scoraggiano l’utente ad affidarsi a questo tipo di impianto. Nel caso invece si voglia considerare la possibilità di costruire impianti fotovoltaici per sopperire al bisogno energetico dell’intera Italia (che per il momento si basa principalmente sull’acquisto dell’energia elettrica estera o su fonti combustibili non rinnovabili, e poche centrali eoliche o idroelettriche), si dovrà far fronte non solo ai costi elevati, ma a problemi di spazio e di materiali. Per coprire l’intero fabbisogno italiano occorrerebbe coprire di pannelli fotovoltaici 1860 km2, ossia lo 0,6% del territorio italiano.

Tuttavia l’uso dei pannelli fotovoltaici non è così lontano. Già l’ENEL ha costruito una centrale di questo tipo a Serre, presso Salerno (▲foto), attivo dal 1994, in grado di erogare 3,3 MW (può cioè fornire energia a più di 1000 abitazioni). Non è un certo un dato da ignorare, anzi è già un grosso passo avanti. Inoltre vengono spesso utilizzati pannelli fotovoltaici in tutti quei casi in cui sarebbe più dispendioso portare un elettrodotto. E’ il caso di case di montagna, isole, ma anche per l’illuminazione stradale (◄ foto), e per altre segnalazioni luminose o rilevatori lungo le strade.

8 Wp = Watt di picco. Unità indicante la potenza elettrica massima disponibile in un istante all’uscita del modulo fotovoltaico.

Cella di silico policristallino

Tegole fotovoltaiche

Cella in silicio microsferico

Impianto ENEL a Serre, presso Salerno

15

Prodotti in commercio

La potenza più comune si aggira intorno ai 150 Wp a 24 V, raggiunti in genere impiegando 72 celle fotovoltaiche. La superficie occupata dai modelli commerciali si aggira in genere intorno ai 7,5 mq/kWp, ovvero sono necessari circa 7,5 metri quadrati di superficie per ospitare pannelli per un totale nominale di 1.000 Wp. I costi al cliente finale variano da 4,00 a 6,00 €/Wp (a gennaio 2006), con aumenti che si attestano intorno 10% su base annua. La causa di questa instabilità di prezzo è da ricercarsi nel profondo squilibrio tra domanda e offerta, che al momento di scrivere sono in rapporto di quasi 10:1. In altre parole, dal 2004 ad oggi la tecnologia e le economie di scala dei produttori hanno dovuto fare i conti con una domanda di mercato improvvisamente esplosa a livello planetario, a causa sia dell'insicurezza sulle sorti degli altri mercati energetici, sia delle politiche di incentivazione delle fonti rinnovabili da parte di moltissimi governi. A fronte di un incremento della domanda mondiale del 200% da giugno 2004 a giugno 2005, i produttori di silicio hanno risposto con un incremento della produzione di "solo" il 60%. Il rimanente squilibrio ha spinto verso l'alto le quotazioni (il silicio è un materiale quotato in borsa). Storia

Le principali tappe della tecnologia fotovoltaica: - 1839: il francese Alexandre-Edmond Bécquerel nota che "della corrente elettrica è generata durante

alcune reazioni chimiche indotte dalla luce". Scopre così l'effetto fotogalvanico negli elettroliti liquidi.

- 1883: l'inventore statunitense Charles Fritz produce una cella solare di circa 30 centimetri quadrati a base di selenio con un'efficienza di conversione dell'1-2 %.

- 1963 La giapponese Sharp produce i primi moduli fotovoltaici commerciali. Funzionamento: l’effetto fotovoltaico

Il funzionamento è fondamentalmente semplice, o meglio è la natura chimica dei semiconduttori che provvede a renderlo così semplice. Abbiamo già detto che i semiconduttori diventano quasi dei conduttori per aumento della temperatura. Accade una cosa simile anche per assorbimento di fotoni (le particelle cariche di energia che costituiscono una radiazione luminosa). Anche nel caso della Cella Fotovoltaica ci troviamo in presenza di silicio drogato N o P, proprio come in un diodo, ma stavolta a strati. Fra la zona N e quella P si forma un campo elettrico. Proprio questo campo elettrico fa sì che il

passaggio dalla corrente, costituito proprio da elettroni, venga facilitato in una direzione e praticamente impedito dall’altra. Una cella fotovoltaica sfrutta proprio questo fenomeno: è costituita da strati di semiconduttori diversi che creano nella cella un campo elettrico fisso simile a quello del diodo. Questo campo è situato il più vicino possibile alla regione del dispositivo che assorbe la luce. I fotoni quando colpiscono un semiconduttore della cella fotovoltaica possono venirne riflessi, attraversarla o esserne assorbiti. Questi ultimi sono quelli potenzialmente utili. Infatti un fotone assorbito può produrre calore urtando il materiale semiconduttore oppure, se possiede abbastanza energia, può strappare un

Impianto fotovoltaico da 3kW per uso domestico

Impianto da 12kW installato sul tetto di una scuola

16

elettrone da uno stato legato ed elevarlo ad uno libero nella banda di conduzione del materiale. Quindi si può dire che la luce che viene assorbita da un semiconduttore produce due portatori di carica liberi: l’elettrone nella banda di conduzione, e la buca nella banda di valenza. La conversione da luce a energia elettrica effettuata dalla cella fotovoltaica avviene essenzialmente perché i portatori di carica liberi, generati dalla luce, sono spinti in direzione opposta dal campo elettrico incorporato. Una volta attraversato il campo gli elettroni liberi non tornano più indietro perché il campo stesso gli impedisce di invertire la marcia. Quindi quando la luce incide sulla cella fotovoltaica le cariche positive e quelle negative sono spinte le une verso la parte superiore, le altre verso quella inferiore della cella, a seconda del tipo di cella. Se la parte superiore e quella inferiore vengono collegate da un conduttore, le cariche libere lo attraversano, ed è possibile così osservare una corrente elettrica. Fino a quando la cella rimarrà esposta alla luce, l’elettricità fluirà con regolarità sotto forma di corrente continua.

17

4 .4 .4 .4 . I I I I l d i o d o L . E . D .l d i o d o L . E . D .l d i o d o L . E . D .l d i o d o L . E . D .

4 . 1 I n t r o d u z i o n e4 . 1 I n t r o d u z i o n e4 . 1 I n t r o d u z i o n e4 . 1 I n t r o d u z i o n e Mi sono voluto soffermare sul diodo L.E.D. per una serie di motivi. Innanzitutto è un componente con cui, anche se non ce ne rendiamo conto, abbiamo a che fare tutti i giorni: ci dice che ora è alla mattina, ci segnala che la batteria del rasoio è scarica, lo vediamo acceso sulla TV, ci illumina lo schermo del cellulare; poi andiamo al lavoro, prendiamo le chiavi e ce n’è uno sul portachiavi; ce ne sono molti sul cruscotto dell’auto, anche le luci posteriori dell’auto (se nuova) sono formate da LED; il semaforo è di quelli nuovi, illuminati da led; altri led sono sparsi per l’ufficio, sul computer, sul fax, sul telefono. C’è un tabellone a led per gli orari. Si potrebbe continuare questa lista all’infinito tanto ne è diffuso l’utilizzo. Insomma il LED è un nostro amico. E’ di una versatilità impressionante! Economico, durevole, piccolissimo, i nuovi modelli sono anche molto luminosi. Ci si possono costruire delle semplici spie che indicano quando qualcosa è acceso. Dei display che indicano cifre. Dei pannelli che compongono scritte e semplici figure, come quelli dislocati lungo un’autostrada, o degli schermi giganti installati nelle città in grado di visualizzare immagini come una televisione, ma sono composti da centinaia di led colorati. La cosa interessante è che lo stesso led o con poche differenze può essere usato nel più semplice dei giocattoli (un portachiavi, ad esempio, come dicevo), o nella più professionale delle apparecchiature. I moderni led ad alta luminosità hanno permesso anche la realizzazione di lampade e fari in grado di ricreare una luce bianca o colorata, molto luminosa, relativamente fredda e soprattutto a risparmio energetico. La forza commerciale di questi dispositivi si basa sulla loro potenzialità di ottenere elevata luminosità (quattro volte maggiore di quella delle lampade fluorescenti e filamento di tungsteno), basso prezzo, elevata efficienza ed affidabilità (la durata di un LED è di molti ordini di grandezza superiore a quella delle classiche sorgenti luminose, specie in condizioni di stress meccanici); inoltre essi non richiedono circuiti di alimentazione complessi, possiedono alta velocità di commutazione e la loro tecnologia di costruzione è compatibile con quella dei circuiti integrati al silicio.

4 . 2 F u n z i o n a m e n t o , c o l o r i , a s p e t t i e l e t t r i c i4 . 2 F u n z i o n a m e n t o , c o l o r i , a s p e t t i e l e t t r i c i4 . 2 F u n z i o n a m e n t o , c o l o r i , a s p e t t i e l e t t r i c i4 . 2 F u n z i o n a m e n t o , c o l o r i , a s p e t t i e l e t t r i c i Nel 1961 Bob Biard e Gary Pittman della Texas Instruments inventarono i Light Emitting Diodes. Ma il primo LED che emetteva luce rossa visibile, utilizzando GaAsP (fosfuro arseniuro di gallio) è stato sviluppato da Nick Holonyak Jr. della General Electric nel 1962. L.E.D. Light Emitting Diode (Diodo ad Emissione di Luce)

I LED sono uno speciale tipo di diodi a giunzione p-n, formati da un sottile strato di materiale semiconduttore drogato. Quando sono sottoposti ad una tensione diretta per ridurre la barriera di potenziale della giunzione, gli elettroni della banda di conduzione del semiconduttore si ricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sufficiente da produrre fotoni. A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce. L'esatta scelta dei semiconduttori determina la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni, l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in uscita.

18

Diversi semiconduttori per diversi colori

I LED convenzionali sono composti da vari materiali inorganici che producono i seguenti colori: • Arseniuro di Alluminio e Gallio - AlGaAs - rosso ed infrarosso • Fosfuro di Gallio ed Alluminio - GaAlP - verde • Fosfuro Arseniuro di Gallio - GaAsP - rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo • Nitruro di Gallio - GaN - verde e blu • Fosfuro di Gallio - GaP - rosso, giallo e verde • Seleniuro di Zinco - ZnSe - blu • Nitruro di Indio e Gallio - InGaN - blu-verde, blu • Fosfuro di Indio, Gallio e Alluminio - InGaAlP - rosso-arancione, arancione, giallo e verde • Carburo di Silico - SiC come substrato - blu • Diamante (C) - ultravioletto • Silicio (Si) come substrato - blu (in sviluppo) • Zaffiro (triossido di dialluminio Al2O3) come substrato - blu

Caratteristiche elettriche

Nel momento in cui dobbiamo far accendere un led dobbiamo sempre ricordarci che si tratta di un diodo, quindi non posiamo semplicemente applicare una tensione ai suoi capi, come per una lampadina, ma dobbiamo valutare due aspetti di questo particolare diodo. Il primo è la corrente: se in un normale diodo, in polarizzazione diretta, possiamo far circolare correnti, a seconda del modello, dell’ordine di 500mA o pochi Ampère; in un diodo LED la corrente sufficiente a generare luce è di soli 5-6 mA, mentre quella massima è di circa 20 mA (al massimo 30 mA per alcuni modelli, maggiore è la corrente maggiore è la quantità di luce emessa). Se si supera tale valore, data la bassa resistenza interna che un diodo e ancor più un diodo LED presentano in polarizzazione diretta, l’elemento finisce per surriscaldarsi per effetto Joule e distruggersi. Il secondo aspetto è la tensione. In polarizzazione diretta il diodo presenterà una certa caduta di tensione (◄tabella), caratteristica per un dato colore, e che rimarrà costante anche al variare della corrente. In polarizzazione inversa invece il diodo supporta pochi volt di tensione, ma soprattutto basse correnti che altrimenti lo brucerebbero. Ovviamente in polarizzazione inversa il LED non si accende. In genere si usa quindi collegare in serie al LED una resistenza di limitazione della corrente, alimentando quindi il LED in corrente continua. Il valore della resistenza va calcolato secondo la legge di Ohm, tenendo anche conto della caduta di tensione imposta dal diodo: se voglio che attraverso il diodo scorra una corrente If, ed il diodo ha caduta di tensione Vf, alimentando il tutto con una tensione Vs ed essendo la resistenza in serie, ai capi di quest’ultima dovrà esserci una differenza di potenziale pari a Vs – Vf, pertanto la R va calcolata con la formula

. I led “flash” della tabella sono led di recente costruzione e commercializzazione in grado di generare una luce particolarmente intensa e luminosa, ma soprattutto ricreano due colorazioni che prima non erano ancora state raggiunte dai LED, cioè il blu e il bianco.

Tipologia

LED

Caduta di

tensione Vf

Infrarosso 1,3

Colore rosso 1,8

Colore verde 2,0

Colore giallo 1,9

Colore arancio 2,0

Flash blu/bianco 3,0

19

4 . 3 A p p l i c a z i o n i4 . 3 A p p l i c a z i o n i4 . 3 A p p l i c a z i o n i4 . 3 A p p l i c a z i o n i Tralasciando il comune uso come “spia”, volevo riportare, tramite foto accompagnate da breve commento, tutti gli usi che mi vengono in mente di questo semiconduttore, fermo restando che oggi gli utilizzi del LED sono moltissimi e nel prossimo futuro continueranno ad aumentare e a diffondersi.

Una delle prime “evoluzioni” del led è stata il cosiddetto display a 7 segmenti, che permette di visualizzare cifre (quindi numeri) e alcuni caratteri alfabetici utilizzando una matrice composta da 7 segmenti ed un punto decimale. Alcuni modelli poi disponevano di segmenti addizionali per poter visualizzare la maggior parte delle lettere dell’alfabeto. I display più piccoli, come quelli delle vecchie TV e delle sveglie, dispongono di un led per ogni segmento e si trovano già “pronti” in un unico elemento plastico. Per realizzare display più grandi, come quelli di un tabellone eliminacode o un segnapunti, si usa una serie di led puntiformi per ogni segmento.

Pannello posto di fronte

ad un municipio

Esistono anche versioni a matrice di punti (una specie di griglia in cui ogni punto-led è indipendente) per visualizzare anche piccole immagini. Modelli simili, ma formato gigante li si possono trovare in luoghi pubblici, data la rapida diffusione, per visualizzare l’ora, la data e la temperatura o altre informazioni, e lungo le autostrade per visualizzare messaggi molto luminosi ad alta visibilità.

Fanalino posteriore e terzo stop

di automobile a LED

Segnalatore a LED posto sulle ferrovie

Soprattutto in ambito stradale si stanno sostituendo tutte le vecchie lampade ad incandescenza con dei fari formati da decine di led. Innanzitutto sono molto più luminosi e quindi più visibili anche in condizioni meteo avverse. In secondo luogo sono molto più durevoli e se anche un diodo dovesse rompersi, gli altri continuerebbero a funzionare. Questo vale per i fanali posteriori delle nuove automobili (primo fra tutti il terzo stop), per alcuni segnali stradali, i veicoli di manutenzione (come la freccia in figura), nuovi semafori (già installati in numerose città), segnalazioni per le ferrovie (il cui vantaggio è anche quello di poter mutare il colore con un solo faro).

20

Interessante applicazione sono i maxi schermi realizzati interamente a LED. Essi funzionano come un televisore dove ogni pixel invece che essere illuminato dal tubo catodico è illuminato da un led. Questa tecnica è utilizzata per schermi da porre nelle città (infatti la visione è apprezzabile solo da una certa distanza), al posto dei moderni, costosi e più delicati schermi a cristalli liquidi. Nei modelli che utilizzano led rossi, verdi e blu è possibile ricreare immagini con un’elevata fedeltà dei colori, come si può vedere nell’immagine a fianco.

Un ulteriore esempio, per dire

che con i led si fa proprio di tutto.

Esistono già in commercio lampadine a LED che possono sostituire le nostre ad incandescenza. Consumano molto meno, sono più durevoli ed efficienti.

Esistono versioni a luce bianca o colorata.

Nel contempo l’illuminotecnica professionale sta già utilizzando led, soprattutto in ambito architetturale, per illuminare strutture come hotel e locali. Particolarmente interessanti sono faretti che usano led rossi, verdi e blu per

riprodurre, sfumandoli come desiderato, qualunque tonalità di colore si voglia.

Piccoli faretti a led come questi ▲ possono ricreari colorazioni particolarmente suggestive.

21

Vi sono molti altri utilizzi più “nascosti” del led, soprattutto quando esso sfrutta i raggi infrarossi. Ne cito tre che mi paiono rilevanti o curiosi.

Il primo, molto semplice ma forse scontato, utilizza un led che emette luce nel campo infrarosso, quindi invisibile all’occhio umano. Si tratta dei telecomandi ad infrarossi come quello della televisione. Anche le barriere ad infrarossi dei cancelli automatici o per antifurto sfruttano led. Entrambi questi dispositivi funzionano allo stesso modo. Un led emette gli infrarossi opportunamente modulati per trasmettere dei dati (nel caso del telecomando) e comunque per distinguere questo segnale luminoso dalla radiazione infrarossa presente nella luce solare. Un fotodiodo invece riceve la radiazione e la trasforma in un segnale elettrico che verrà opportunamente decodificato. Anche il secondo uso del diodo led sfrutta una sorta di barriera ad infrarossi, questa volta interrotta da un encoder, ossia una ruota dentata, i cui denti interrompono il raggio ad infrarossi e forniscono così informazioni sul moto della ruota stessa. Stiamo parlando di un comune mouse per computer (a “palla”, non quelli ottici, che d’altronde usano diodi led ma in modo differente). La palla (di materiale pesante) scorre sul tappetino o sulla scrivania, due cuscinetti ad essa adiacenti registrano il movimento in X e in Y tramite un encoder di questo tipo. L’ultimo utilizzo, che trovo curioso perché non ci avevo mai pensato, consiste nella lettura della traccia audio da una pellicola cinematografica. Quando andiamo al cinema, tutti sanno che il film è proiettato a partire da una pellicola nella quale si susseguono i fotogrammi. Qualcuno si è mai chiesto da dove provenga l’audio? Ovviamente esso, per andare in sincrono alle immagini, deve essere impresso sulla pellicola accanto ai fotogrammi (da qui il nome di colonna sonora)9. Negli anni Cinquanta fu fatto un tentativo di incisione su traccia magnetica, ma risultava costoso applicare una banda magnetica alla pellicola, inoltre si usurava e perdeva qualità facilmente. Prima e dopo questo tentativo la traccia (analogica) è sempre stata impressa come uno spettro sonoro trasparente su sfondo scuro. In questo modo con una lampadina prima (come nella ◄figura a lato), con un LED oggi, si va ad illuminare la colonna sonora e un sensore dall’altro lato capterà le variazioni di luminosità e le trasformerà in un segnale elettrico che è già audio analogico. Oggi vi sono altre tracce oltre a quella analogica, digitali10, ma vengono lette sempre tramite LED e sensori a semiconduttore.

9 Per essere precisi esiste un metodo (il DTS digital theater system) secondo cui la traccia audio si trova in un CD-ROM, ma sulla pellicola è comunque impresso un timecode per la sincronizzazione che viene comunque letto con il sistema ottico. 10 Oltre alla traccia dolby stereo, sono presenti la dolby digital, il timecode dts, e la SDDS (sony dynamic digital sound).

22

4 .4 .4 .4 . 4444 IIII llll d i o d od i o d od i o d od i o d o L L L L a s e ra s e ra s e ra s e r

Una piccola parentesi se la merita pure il dispositivo chiamato laser, anzi ve ne sono vari tipi, noi consideriamo solo il diodo laser.

Funzionamento

Come i diodi LED, anche i diodi laser emettono luce tramite la ricombinazione di elettroni e lacune nella zona di barriera del diodo: la differenza fondamentale è che questa emissione è stimolata dalla luce stessa, e che la luce emessa è coerente. Questo viene ottenuto con una struttura del diodo a sandwich con tre zone drogate in modo diverso (n - p - p+) che presentano anche un diverso indice di rifrazione ottico: in pratica, le zone di confine n-p e p-p+ si comportano come due specchi che riflettono la luce emessa nel diodo e la confinano al suo interno. In questo modo i fotoni in viaggio nel diodo stimolano gli elettroni e le lacune negli atomi di semiconduttore a ricombinarsi emettendo un altro fotone con la stessa lunghezza d'onda e la stessa fase di quello incidente, cioè stimolano una emissione coerente. Normalmente i diodi laser sono realizzati in arseniuro di gallio o in arseniuro di gallio e alluminio, per ottenere una differenza di indici di rifrazione fra le tre zone che sia il più possibile alta.

Caratteristiche

Direzionalità: il laser permette di emettere la radiazione in un'unica direzione. Più precisamente l'angolo solido sotteso da un fascio laser è estremamente piccolo.

Monocromaticità: il laser emette una sola radiazione, o comunque una banda molto ristretta. Brillanza: in diretta conseguenza delle due precedenti, si ha che la quantità di energia emessa

per unità di angolo solido è incomparabilmente più elevata rispetto alle sorgenti tradizionali. In particolare è elevato il numero di fotoni per unità di frequenza.

Coerenza: mentre nell'emissione spontanea ogni fotone viene emesso in maniera casuale rispetto agli altri, nell'emissione stimolata ogni fotone ha la stessa fase del fotone che ha indotto l'emissione.

Impulsi ultra-brevi: è possibile costruire laser in grado di emettere pacchetti d’onde ad intervalli di tempo estremamente piccoli. Attualmente si è arrivati al femtosecondo (10-15 secondi)

Utilizzi

I laser sono utilizzati in diversi ambiti: nelle telecomunicazioni per inviare segnali attraverso le fibre ottiche; nell’industria per eseguire lavorazioni e forature molto precise. E’ particolarmente utile in medicina, nella microchirurgia per operare in modo preciso e non invasivo. Sono inoltre usati per rilevare misure molto grandi come la distanza tra la Terra e la Luna. Un importante e oggi diffusissimo utilizzo consiste nell’incisione e lettura di CD e DVD (◄figura). Laser di minore potenza sono utilizzati come puntatori, negli scanner di codici a barre, nelle stampanti omonime (per imprimere il tamburo fotosensibile), e in tutte le applicazioni di precisione (dove occorre un raggio fino che colpisca un punto preciso). Ultimo utilizzo come effetto ottico per spettacoli e discoteche, facendogli compiere movimenti circolari ed ellittici e sfruttando l’effetto “memoria” dell’occhio umano, si possono ricreare figure geometriche (figure di Lissajous ◄ fig.) e giochi di luce particolarmente suggestivi (fig. ►).

23

4 .4 .4 .4 . 5555 O L E D : i l e d o r g a n i c i O L E D : i l e d o r g a n i c i O L E D : i l e d o r g a n i c i O L E D : i l e d o r g a n i c i

E’ nata da poco una nuova tecnologia: gli OLED, Organic Light Emitting Diodes. Somiglianti ai diodi led come struttura, ma con delle differenze sostanziali. La prima consiste nella composizione: anziché un semiconduttore inorganico, negli Oled lo strato attivo è costituito da sostanze organiche. Ne consegue che la struttura diventa flessibile e soprattutto non più puntiforme come in un led ma planare, in fogli sottilissimi.

L’Unione Europea sta lavorando a questa tecnologia con il progetto Olla (Organic Led for Lighting Application), con 24 centri ed industrie, e ha promesso il debutto per il 2008. L’Isof (Istituto per la sintesi organica e la fotoreattività) del Cnr di Bologna, con il Laboratorio nazionale di nanotecnologie di Lecce, è l’unico ente italiano del progetto Olla. Benché la proprietà di elettroluminescenza posseduta da alcuni elementi organici sia conosciuta da lungo tempo, i primi tipi di display OLED non andarono mai oltre lo stadio di prototipo, in quanto richiedevano tensioni di alimentazione troppo alte (oltre 100 V). I primi display efficienti e a basso voltaggio (circa 10 V) furono presentati nel 1987 da Ching Tang e Steve Van Slyke, e utilizzavano due strati organici. Funzionamento.

Il materiale organico è un polimero conduttore elettroluminescente (plastica per esempio).Un elemento viene definito organico in quanto contenente la struttura atomica del carbonio. Normalmente, gli strati organici sono in grado di emettere solo luce bianca, ma con opportuni drogaggi (di composti elettrofosforescenti) è possibile renderli in grado di emettere luce rossa (drogante fluorescente a base di perilene dicarbossammide), verde (cumarina) o blu (β - DNA) (RGB): essendo questi i colori primari, è possibile combinarli per produrre tutti i colori dello spettro visibile, in modo analogo a quanto accade in qualunque display a colori. La Universal Display Corporation, tuttavia, ha recentemente annunciato di aver realizzato un differente tipo di display, in cui i tre microdisplay di ogni elemento sono sovrapposti anziché affiancati, il che permette un notevole incremento della risoluzione.

24

Applicazioni.

Tramite la tecnologia OLED si punta in particolar modo a due ambiti di utilizzo: Illuminazione: l’OLED a luce bianca produce una luce più bianca rispetto a quella dei led inorganici, capace di riprodurre più fedelmente i colori degli oggetti illuminati. Inoltre la luce dell’OLED è fredda: la temperatura emessa non supera i 35°C, contro i 70°C massimi a cui può arrivare un normale led. Unico aspetto, se vogliamo, per cui il led supera l’oled è la durata: l’OLED dura meno di un comune led, ma comunque di gran lunga più delle comuni lampade ad incandescenza11. Schermi: grazie alla tecnologia OLED, sottilissima, flessibile e trasparente, sarà possibile creare monitor e schermi avvolgibili e tascabili, inserire display negli occhiali e nelle finestre e fogli luminosi nei vestiti.

Prototipo di schermo OLED flessibile Prototipo di TV OLED realizzato

dalla Samsung Altro esempio di applicazione degli OLED per mini display

Con gli OLED potremo avere computer che si avvolgono e occupano lo spazio di una penna!

(in figura un prototipo simulato al computer)

11 Una lampadina ad incandescenza dura, in media, 1.000 ore; una alogena 2.000; lampade fluorescenti (neon) 10.000; un led 50.000-100.000. L’OLED dura più di 10.000 ore.

25

5555 . . . . A p p l i c a z i o n e p r a t i c aA p p l i c a z i o n e p r a t i c aA p p l i c a z i o n e p r a t i c aA p p l i c a z i o n e p r a t i c a

5 . 1 U s o d e i L E D p e r l a T r i c r o m i a5 . 1 U s o d e i L E D p e r l a T r i c r o m i a5 . 1 U s o d e i L E D p e r l a T r i c r o m i a5 . 1 U s o d e i L E D p e r l a T r i c r o m i a Abbiamo già visto più volte, nei paragrafi 4.3 e 4.4 del capitolo precedente sui LED, come sia possibile ricreare delle colorazioni a piacimento partendo da led dei tre colori primari Rosso (R), Verde (G) e Blu (B). Questo sistema è detto comunemente RGB o sintesi additiva. Si veda l’Appendice 2.

Come applicazione pratica, era mia intenzione realizzare un faretto di questo tipo, dotato di led Rossi, Verdi e Blu ad alta luminosità. Tramite un opportuno controllo della luminosità di ogni categoria di led è possibile ricreare tutti i colori desiderati, sfruttando il sistema RGB di sintesi additiva. Se tutti i led sono accesi la luce risultante dovrà quindi essere prossima al bianco. Accendendo i soli led rossi e verdi dovrà risultare una luce gialla, e così via. Partiamo dagli elementi più importanti: i nostri LED. Quelli ad alta luminosità hanno il corpo trasparente che ne facilita l’identificazione di anodo e catodo. La parte metallica infatti su cui è posto il semiconduttore (più grande) è sempre il catodo. Altrimenti si può osservare sul lato del diodo una sorta di taglio. Infine il terminale più lungo è sempre l’anodo. Tuttavia questi due ultimi sistemi non sono affidabili nella totalità delle volte. Ad ogni modo abbiamo detto che ogni led deve essere collegato in serie ad una resistenza di limitazione della corrente. Tuttavia i led possono essere collegati in serie calcolando le opportune cadute di tensione totali. Nel progetto ho intenzione di collocare 6 led per ogni colore, pertanto alimentando la sezione dei led a 12 volt posso creare due serie da 3 elementi per ogni colore: 3x3=9 volt, i 3 rimanenti “graveranno” sulla resistenza. La corrente da far scorrere sui diodi sarà tarata in fase di collaudo, ma si può partire da un valore di 15 mA minimi (contare che si parla della luminosità massima, che verrà regolata successivamente). La resistenza andrà quindi da 3/0,015=200ohm circa. Proverò quindi i valori commerciali da 100 – 120 – 150 – 190 ohm, con cui otterrò correnti di 30 – 25 – 20 – 16 mA. Dato l’assorbimento elevato dei led, sarà necessario prevedere uno stadio amplificatore di potenza, ossia dei semplici transistor. Dei BC337 tengono fino a 500 mA…per andare sul sicuro, ma vanno bene anche dei BC547 (100mA). Uno per ogni serie, base comune. Anche la base del transistor va protetta con una R da 4k7ohm. A questo punto le basi possono essere già regolate mediante trimmer ossia resistenze variabili in modo da fornire tensioni entro un range: per la legge di Ohm varierà la corrente che arriva alla Base del TR, di conseguenza la corrente che scorre entro i Led. Volendo rendere la cosa più interessante, è possibile comandare il circuito dal computer. Innanzitutto occorre disporre di un DAC (Digital to Analogical Converter) dal momento che il computer ragiona in digitale mentre i led hanno bisogno di essere “dimmati” cioè regolati in tensione. Un economico DAC lo si può costruire con un partitore resistivo a catena, in cui ogni R è associata (collegata) ad un bit (una linea) di un byte. Volendo usare una risoluzione a 8 bit (256 livelli di luminosità per ogni canale RGB), occorrerà poi disporre di un demultiplexer, ossia un dispositivo che legga dalla porta (useremo quella parallela) del PC in successione i tre byte che ci occorrono per i tre canali. Devo far notare che lo schema della sezione Demultiplexing-DAC l’ho copiato da un articolo di Nuova Elettronica, dato che era lì già pronto all’uso. Per demultiplexare si usa l’integrato logico 74139 che provvede a convertire un ingresso binario a tre bit in un’uscita decimale sequenziale. Mentre per leggere e memorizzare ogni byte occorrono altri tre integrati logici 74373. Infine per invertire il livello logico in uscita dal 74139 prima di inviarlo agli ingressi di abilitazione degli 74373, occorre una porta logica NOT 7414 (o 7419, 7404, 7405, un integratino di questi ne contiene 6).

26

Se il circuito è controllato da computer occorre però anche realizzare un programma, ossia un’interfaccia utente che gli permetta di regolare il colore desiderato, e invii quindi l’informazione alla porta parallela, prima un canale, poi il secondo e il terzo. Propongo qui lo schema elettrico complessivo del circuito. La sezione digitale è alimentata a 5 volt, utilizzerò quindi un alimentatore in grado di fornirmi queste due uscite c.c. stabilizzate. L’ultimo aspetto da valutare è di struttura e ottica. Intanto bisognerà disporre i LED su un circuito stampato possibilmente rispettando una figura a nido d’ape, in modo che i tre colori vengano disposti omogeneamente. Se l’effetto non sarà quello desiderato, perché i led creano fasci troppo puntiformi, sono portato a pensare che convenga porre dinnanzi una sorta di vetro smerigliato o qualcosa in grado di smorzare e rendere più omogenei i fasci luminosi.

Esempio di configurazione della

matrice di led

Esempio di involucro

27

A 1 . A 1 . A 1 . A 1 . A p p e n d i c e A p p e n d i c e A p p e n d i c e A p p e n d i c e 1111

IIII n f o r m a z i o n i a g g i un f o r m a z i o n i a g g i un f o r m a z i o n i a g g i un f o r m a z i o n i a g g i u n t i v e s u l n t i v e s u l n t i v e s u l n t i v e s u l SSSS i l i c i oi l i c i oi l i c i oi l i c i o e s u l G e r m a n i o e s u l G e r m a n i o e s u l G e r m a n i o e s u l G e r m a n i o

SSSSSSSS IIIIIIII LLLLLLLL IIIIIIII CCCCCCCC IIIIIIII OOOOOOOO

Il silicio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi, che ha come simbolo Si e come numero atomico il 14. Un metalloide tetravalente, il Silicio è meno reattivo del suo analogo chimico, il carbonio. È il secondo elemento per abbondanza nella crosta terrestre, componendone il 25,7% del peso. Si trova in argilla, feldspato, granito, quarzo e sabbia, principalmente in forma di biossido di silicio, silicati e alluminosilicati (composti contenenti silicio, ossigeno e metalli). Il silicio è il componente principale di vetro, cemento, semiconduttori, ceramica e silicone.

Generale

Nome, Simbolo, N° Atomico Silicio, Si, 14

Serie chimica metalloidi

Gruppo, Periodo, Blocco 14 (IVA), 3, p

Densità, Durezza 2330 kg/m3, 6,5

Colore grigio scuro con riflessi bluastri

Proprietà atomiche

Peso atomico 28,0855 amu

Raggio atomico 110 pm

Raggio covalente 210 pm

Raggio di van der Waals 118 pm

Configurazione elettronica Ne3s23p2

e- per livello energetico 2, 8, 4

Stato di ossidazione 4 (amfoterico)

Struttura cristallina Cubica a facce centrate

Proprietà fisiche

Stato di aggregazione solido (nonmagnetico)

Punto di fusione 1687 K (1413,85 °C)

Punto di ebollizione 3173 K (2899,85 °C)

Volume molare 12,06 × 10-3 m3/mol

Calore di vaporizzazione 384,22 kJ/mol

Calore di fusione 50,55 kJ/mol

Pressione del vapore 4,77 Pa a 1683 K

Velocità del suono n.d.

Caratteristiche

Nella sua forma cristallina, il silicio ha colore grigio e una lucidità metallica. Anche se è un elemento relativamente inerte, reagisce con gli alogeni e gli alcali diluiti, ma la maggior parte degli acidi (eccetto l'acido fluoridrico) non lo intaccano. Il silicio elementare trasmette più del 95% di tutte le lunghezze d'onda della luce infrarossa. Applicazioni

Il silicio è un elemento molto utile, ed è vitale per molte industrie. Il diossido di silicio in forma di sabbia e argilla è un importante ingrediente del cemento e dei mattoni, ed è molto importante per la vita animale e vegetale. Le diatomee estraggono la silice dall'acqua per costruire i muri protettivi delle loro cellule; gli equiseti lo concentrano nel fusto della pianta usandolo per conferirgli robustezza e notevole resistenza alla masticazione, per scoraggiare gli erbivori. Altri usi: * È un materiale refrattario usato nella produzione di materiali ad alte temperature, e i suoi silicati sono impiegati nella fabbricazione di smalti e terraglie. * Il silicio è un importante costituente di alcuni tipi di acciaio.

28

* La silice della sabbia è un componente principale del vetro. * Il carburo di silicio, chiamato anche carborundum, è uno dei più importanti abrasivi. * Il silicio può essere usato nei laser per produrre luce coerente con una lunghezza d'onda di 4560 angstrom. * I siliconi sono composti flessibili contenenti legami silicio-ossigeno o silicio-carbonio; sono ampiamente usati in forma di gel per impianti artificiali del seno e per le lenti a contatto. * Il silicio idrogenato amorfo si è mostrato promettente per la produzione di celle solari e apparati elettronici a basso costo. * La silice è uno dei principali ingredienti dei mattoni a causa della sua bassa attività chimica. Storia

Il silicio (dal latino silex, silicis che significa selce) venne identificato per la prima volta da Antoine Lavoisier nel 1787, e venne successivamente scambiato per un composto da Humphry Davy nel 1800. Nel 1811 Gay Lussac e Thenard probabilmente prepararono del silicio amorfo impuro attraverso il riscaldamento di potassio con tetrafluoruro di silicio. Nel 1824 Berzelius preparò del silicio

amorfo usando all'incirca lo stesso metodo di Lussac. Berzelius inoltre purificò il prodotto attraverso successivi lavaggi. Disponibilità

Il silicio è il principale componente degli aeroliti, che sono una classe di meteoroidi nonché della tectite, che è una forma naturale di vetro. Calcolando in base al peso, il silicio compone il 25,7% della crosta terrestre e dopo l'ossigeno è il secondo elemento più abbondante sul pianeta. Il silicio elementare non si trova in natura, appare in genere come ossido (ametista, agata, quarzo, rocce cristalline, selce, diaspro, opale) e silicati (Granito, amianto, feldspato, argilla, hornblenda, mica e altri).

Produzione

Il silicio viene preparato commercialmente tramite riscaldamento di silice ad elevato grado di purezza, in una fornace elettrica usando elettrodi di carbonio. A temperature superiori a 1900°C, il carbonio riduce la silice in silicio secondo l'equazione chimica SiO2 + C → Si + CO2. Il silicio liquido si raccoglie in fondo alla fornace, e viene quindi prelevato e raffreddato. Il silicio prodotto tramite questo processo viene chiamato silicio di grado metallurgico ed è, come minimo, puro al 99%. Nel 2000, il silicio di grado metallurgico costava circa 1,23 $/kg.

Purificazione

L'uso del silicio nei semiconduttori richiede una purezza più elevata di quella fornita dal silicio di grado metallurgico. Storicamente sono stati usati un numero di metodi diversi per produrre silicio ad alta purezza.

Varie

Elettronegatività 1,90

Capacità calorica specifica 700 J/(kg*K)

Conducibilità elettrica 2,52 × 10-4/m ohm

Conducibilità termica 148 W/(m*K)

Energia di prima ionizzazione 786,5 kJ/mol

Energia di seconda ionizzazione 1577,1 kJ/mol

Energia di terza ionizzazione 3231,6 kJ/mol

Energia di quarta ionizzazione 4355,5 kJ/mol

Energia di quinta ionizzazione 16.091 kJ/mol

Energia di sesta ionizzazione 19.805 kJ/mol

Energia di settima ionizzazione 23.780 kJ/mol

Energia di ottava ionizzazione 29.287 kJ/mol

Nona energia di ionizzazione 33.878 kJ/mol

Decima energia di ionizzazione 38.726 kJ/mol

Isotopi stabili

iso NA TD DM DE DP 28Si 92,23% Si è stabile con 14 neutroni 29Si 4,67% Si è stabile con 15 neutroni 30Si 3,1% Si è stabile con 16 neutroni 32Si sintetico 276 anni β- 0,224 32P

iso = isotopo

NA = abbondanza in natura

TD = tempo di dimezzamento

DM = modalità di decadimento

DE = energia di decadimento in MeV

DP = prodotto del decadimento

29

Metodi fisici. Le prime tecniche di purificazione del silicio erano basate sul fatto che il silicio viene fuso e risolidificato, l'ultima parte di silicio che solidifica contiene la maggior parte delle impurezze. Il primissimo sistema di purificazione, descritto nel 1919 e usato su scala limitata per la fabbricazione di componenti dei radar durante la seconda guerra mondiale, richiedeva la polverizzazione del silicio di grado metallurgico e la sua parziale dissoluzione in acido. Quando veniva polverizzato, il silicio si spezzava in modo che le zone più deboli e ricche di impurità restassero all'esterno del risultante grano di silicio. Come risultato, il silicio ricco di impurità era il primo a disciogliersi quando trattato con l'acido, lasciando un prodotto più puro. Nella fusione a zona, il primo metodo di purificazione del silicio ad essere utilizzato su scala industriale, sbarre di silicio di grado metallurgico venivano riscaldate partendo da una delle sue estremità, fino a quando questa iniziava a fondersi. Il riscaldatore quindi veniva lentamente spostato lungo la sbarra mantenendo una piccola porzione fusa mentre il silicio si raffreddava e risolidificava dietro di essa. Poiché la maggior parte delle impurità tendeva a rimanere nella parte fusa piuttosto che risolidificarsi, alla fine del processo queste si erano spostate nell'ultima parte della sbarra ad essere fusa. Questa estremità veniva quindi tagliata e gettata, ripetendo il processo se una purezza più elevata era necessaria. Metodi chimici. Oggigiorno il silicio viene purificato convertendolo in un composto che può essere purificato più facilmente del silicio stesso, e quindi convertito di nuovo in silicio puro. Il triclorosilano è il composto di silicio più comunemente usato in questo processo, anche se a volte si utilizzano anche il tetracloruro di silicio e il silano. Questi composti, liquidi o gassosi, vengono purificati per distillazione frazionata fino ad ottenere una miscela di composti di solo silicio. Dopodichè questi gas vengono soffiati sopra a del silicio ad alta temperatura e si decompongono, depositando silicio policristallino ad alta purezza. Nel processo Siemens, sbarre di silicio ultrapuro sono esposte al triclorosilano a 1150°C; il gas di triclorosilano si decompone e deposita dell'altro silicio sulla sbarra, allargandola secondo la reazione chimica 2 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl4. Il silicio prodotto da questo e da processi simili viene chiamato silicio policristallino. Il silicio policristallino ha un livello di impurità pari a 1 parte per miliardo o inferiore. A un certo punto, la DuPont produsse silicio ultrapuro facendo reagire il tetracloruro di silicio con vapori di zinco ad alta purezza a 950°C, producendo silicio secondo la formula SiCl4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl2. Comunque questa tecnica era afflitta da problemi pratici (come il cloruro di zinco, un sottoprodotto, che si solidificava bloccando le linee) e venne abbandonata a favore del processo Siemens. Cristallizzazione. Il processo Czochralski viene spesso usato per creare cristalli singoli di silicio ad alta purezza, che vengono impiegati nei semiconduttori a stato solido.

Isotopi

Il silicio ha nove isotopi, con peso atomico che varia tra 25 e 33. Il 28Si (l'isotopo più abbondante, con il 92.23%), il 29Si (4.67%), e il 30Si (3.1%) sono stabili; il 32Si è un isotopo radioattivo prodotto dal decadimento dell'argon. La sua emivita, dopo un lungo dibattito, è stata determinata in circa 276 anni, e decade per emissione beta in 32P (che ha emivita di 14,28 anni) e quindi in 32S.

Precauzioni

Una seria malattia dei polmoni chiamata silicosi è molto frequente tra i minatori, i tagliatori di pietre e altri lavoratori che sono impegnati in lavori dove polvere di silicio viene inalata in grandi quantità.

La Silicon Valley

Poiché il silicio è un importante elemento dei semiconduttori e di tutta l'industria elettronica, la regione di Silicon Valley in California, nota per le numerose aziende di informatica ed elettronica, prende il suo nome da questo elemento (Silicon in inglese).

Sbarra

monocristallina

di Silicio

30

GGGGGGGG EEEEEEEE RRRRRRRRMMMMMMMMAAAAAAAA NNNNNNNN IIIIIIII OOOOOOOO

Il germanio è l'elemento chimico di numero atomico 32. Il suo simbolo è Ge. È un metalloide lucido, duro, bianco-argenteo dal comportamento chimico simile a quello dello stagno; come esso, forma un gran numero di composti organometallici.

Generalità

Nome, Simbolo, Numero atomico germanio, Ge, 32

Serie chimica metalloidi

Gruppo, Periodo, Blocco 14 (IVA), 4 , p

Densità, Durezza 5323 kg/m3, 6

Aspetto bianco-grigiastro

Proprietà atomiche

Peso atomico 72,64 amu

Raggio atomico (calc.) 125 (125) pm

Raggio covalente 122 pm

Raggio di van der Waals nessun dato

Configurazione elettronica [Ar]3d10 4s2 4p2

elettroni (e-) per livello energetico 2, 8, 18, 4

Stati di ossidazione 4 (anfotero)

Struttura cristallina cubica a facce centrate

Proprietà fisiche

Stato a temperatura ambiente solido

Punto di fusione 1211,4 K (938,3°C)

Punto di ebollizione 3093 K (2820°C)

Volume molare 13,63×10-6 m3/mol

Calore di evaporazione 330,9 kJ/mol

Calore di fusione 36,94 kJ/mol

Tensione di vapore 0,0000746 Pa a 1210 K

Velocità del suono 5400 m/s a 293,15 K

Varie

Elettronegatività 2,01 (Scala di Pauling)

Calore specifico 320 J/(kg*K)

Conducibilità elettrica 1,45/(m·ohm)

Conducibilità termica 59,9 W/(m*K)

Energia di prima ionizzazione 762 kJ/mol

Energia di seconda ionizzazione 1537,5 kJ/mol

Energia di terza ionizzazione 3302,1 kJ/mol

Caratteristiche

Il germanio ha un aspetto metallico lucido, e la stessa struttura cristallina del diamante. Inoltre è importante notare che tale elemento è un semiconduttore, con proprietà intermedie fra quelle di un conduttore e di un isolante. Allo stato puro, il germanio è cristallino, fragile e mantiene il suo aspetto lustro se esposto all'aria a temperatura ambiente. Tecniche di raffinamento a zona hanno permesso la creazione di germanio cristallino per semiconduttori con solo una parte di impurità su 10 milioni. Storia

Nel 1871 il germanio (dal latino Germania) fu uno degli elementi di cui Dmitri Mendeleev predisse l'esistenza; poiché nella sua tavola periodica la casella dell'analogo del silicio era vuota, egli predisse che si sarebbe trovato un nuovo elemento che in via provvisoria battezzò exasilicio. L'elemento in questione fu più tardi scoperto da Clemens Winkler nel 1886. Questa scoperta fu una importante conferma dell'idea di Mendeleev della periodicità degli elementi. Lo sviluppo del transistor al germanio aprì la porta ad infinite applicazioni dell'elettronica allo stato solido: dal 1950 fino al 1970 circa il mercato del germanio per semiconduttori crebbe costantemente. Durante gli anni '70 venne gradualmente sostituito dal silicio, le cui prestazioni come semiconduttore sono superiori anche se richiede cristalli molto più puri, che non potevano essere fabbricati facilmente nei primi anni del dopoguerra. Nel frattempo aumentò moltissimo la domanda di germanio per fibre ottiche per reti di comunicazioni, per sistemi di visione notturna agli infrarossi e catalizzatori per reazioni di polimerizzazione; questi tre usi hanno

31

rappresentato l'85% del consumo mondiale di germanio nel 2000. Applicazioni

Diversamente dalla maggior parte dei semiconduttori, il germanio ha un piccolo intervallo di banda proibita, cosa che gli permette di rispondere in modo efficiente anche alla luce infrarossa. Viene quindi usato nella spettroscopia infrarossa e in altri equipaggiamenti ottici che necessitano di rivelatori di infrarossi estremamente sensibili. L'indice di rifrazione e le proprietà di dispersione del suo ossido nelle lenti degli obiettivi grandangolari delle macchine fotografiche e dei microscopi. I transistor al germanio sono ancora utilizzati negli

amplificatori per chitarra elettrica dai musicisti che vogliono ricreare il carattere autentico degli amplificatori dei primi tempi del rock and roll. La lega germaniuro di silicio (SiGe) sta diventando rapidamente un importante materiale semiconduttore per l'uso in circuiti integrati ad alta velocità: i circuiti integrati basati su giunzioni Si-SiGe possono essere molto più veloci di quelli che usano solo silicio. Altri usi: * Come agente legante; * Come fosforo in lampade fluorescenti; * Come catalizzatore. Alcuni composti del germanio hanno una bassa tossicità per i mammiferi ma molto alta per certi batteri: sono perciò stati creati medicinali basati su tali composti. Disponibilità

Il germanio si trova nell'argirodite (solfuro di germanio e argento); ma anche nel carbone, nella germanite, in minerali di zinco e in altri minerali ancora. Il germanio si ricava commercialmente dalla polvere di lavorazione dei minerali di zinco e dai sottoprodotti di combustione di certi tipi di carbone. Una grande riserva di germanio è costituita, in effetti, dalle miniere di carbone. Questo metalloide si può estrarre anche da altri minerali per distillazione frazionata del suo tetracloruro volatile. Questa tecnica permette la produzione di germanio ultrapuro. Nel 1997 il costo commerciale del germanio è stato di 3 dollari americani al grammo. Nel 2000 il prezzo del germanio era 1,15 dollari al grammo (o di 1.150 dollari per chilogrammo).

Energia di quarta ionizzazione 4411 kJ/mol

Energia di quinta ionizzazione 9020 kJ/mol

Isotopi più stabili

iso NA TD DM DE DP 70Ge 21,23% Ge è stabile con 38 neutroni 72Ge 27,66% Ge è stabile con 40 neutroni 73Ge 7,73% Ge è stabile con 41 neutroni 74Ge 35,94% Ge è stabile con 42 neutroni

iso = isotopo

NA = abbondanza in natura

TD = tempo di dimezzamento

DM = modalità di decadimento

DE = energia di decadimento in MeV

DP = prodotto del decadimento

32

AAAA 2222 . . . . A p p e n d i c e A p p e n d i c e A p p e n d i c e A p p e n d i c e 2222

S i n t e s i a d d i t i v a e s i n t e s i s o t t r a t t i v a d e i c o l o r iS i n t e s i a d d i t i v a e s i n t e s i s o t t r a t t i v a d e i c o l o r iS i n t e s i a d d i t i v a e s i n t e s i s o t t r a t t i v a d e i c o l o r iS i n t e s i a d d i t i v a e s i n t e s i s o t t r a t t i v a d e i c o l o r i

Thomas Young era un medico-scienziato che continuò gli studi sul colore che in precedenza fece Isaac Newton, il quale ipotizzava che ogni sensazione di colore doveva corrispondere a una diversa lunghezza d’onda della luce in arrivo al nostro occhio. Young, partendo dal fatto allora noto dell’esistenza di tre colori primari (dalle mescolanze dei quali derivano tutti gli altri), ne cercò la spiegazione non più nella proprietà della luce, ma in quelle dell’occhio umano. E questa fu la chiave per capirne il funzionamento. Young avanzò l’ipotesi che i recettori per la visione diurna fossero soltanto di tre tipi e che ciascun tipo corrispondesse a una tinta primaria.Ogni altra tinta sarebbe risultata dalla stimolazione simultanea dei tre tipi di recettori.

Egli basò i suoi esperimenti sulla mescolanza o sintesi additiva dei colori, usando tre filtri che non si discostassero dal Rosso vivo, dal Verde e da un Blu al limite del violetto (filtri che, non a caso, corrispondono grosso modo alle regioni di sensibilità dei tre tipi di coni della retina) era riuscito a produrre tutti i colori sovrapponendo i filtri facendoli attraversare da fasci luminosi e giostrandone in modo opportuno le relative intensità. Quindi il nostro cervello elabora una tripletta di segnali che è rigorosamente caratteristica di una colorazione,colorazione associata alla radiazione luminosa che arriva sulla retina e che stimola tutti e tre i coni, ovviamente in misura differente a seconda della composizione spettrale ad essa associata. Dunque, un dato colore può essere generato con molte combinazioni di bande luminose. Sintesi additiva Il bianco, in particolare, è ottenibile miscelando tre tinte primarie:verde, rosso e blu ma che siano dosate con precisione, in modo da generare lo stesso tristimolo della luce del sole. Si ottiene il bianco usando anche una terna diversa, derivata dalle combinazione a due a due dei tre colori primari: giallo = verde + rosso, ciano = verde + blu, magenta = blu + rosso. Il nero non può essere generato, in sintesi additiva, corrispondendo a esso la totale assenza di luce. In conclusione si chiama sintesi additiva il meccanismo di miscelazione dei primari RGB per ottenere tutti gli altri colori perché si basa sulla somma di luce tendente quindi al bianco. Questo metodo è utilizzato ogni qual volta venga prodotta una luce colorata, quindi negli schermi TV, a LED, ecc.

Anche la sintesi sottrattiva è molto importante, perché è quella che interviene nella comune esperienza di osservazione dei colori. La colorazione delle cose comporta meccanismi sottrattivi, in quanto si basa sulla loro capacità di assorbire componenti cromatiche della luce che illumina, piuttosto che di emetterne di proprie. Il colore è dato dalle componenti che non sono assorbite. L’esperimento di Young, fu quello di sovrapporre tre filtri colorati Giallo, Ciano e Magenta (complementari dei primari) facendoli attraversare da un unico fascio di luce bianca. In tale disposizione, ciascun filtro sottrae alla luce bianca quella particolare regione di lunghezza d’onda che è in grado di assorbire. Dove i filtri si sovrappongono gli effetti di sottrazione si cumulano, così che il risultato è del tutto differente dal metodo

additivo, quando prima si otteneva il bianco come risultato del mescolamento di una coppia di colori complementari, diciamo Rosso e Ciano, ora questa coppia dà il nero. In conclusione, i pigmenti e tutti gli oggetti che noi vediamo colorati, lo sono perché quando vengono investiti dalla luce essi riflettono solo quella “del loro colore” mentre assorbono tutta l’altra. Il metodo di sintesi sottrattiva è detto anche CMY (Cyan, Magenta, Yellow) ed è usato ad esempio per la stampa ad inchiostro (dove gli inchiostri si sovrappongono come i filtri di Young).

33

B . B . B . B . B i b l i o g r a f i a B i b l i o g r a f i a B i b l i o g r a f i a B i b l i o g r a f i a e S i t o g r a f i a e S i t o g r a f i a e S i t o g r a f i a e S i t o g r a f i a Capitolo 2. I Semiconduttori

La maggior parte della sitografia è tratta da Wikipedia, l’Enciclopedia Libera.

In particolar modo si citano le seguenti voci (principali), da cui possono anche esser state prelevate immagini:

http://it.wikipedia.org/wiki/Semiconduttore http://it.wikipedia.org/wiki/Fisica_dei_semiconduttori http://it.wikipedia.org/wiki/Drogaggio

Capitolo 3. I Componenti Elettronici

Bibliografia: Clelia Forghino, Luigi Salerno, Lidia Xodo, Tecnica e Formazione vol. 3, Morano Ed. (alcune tappe storiche e semplici spiegazioni sui componenti elettronici). La maggior parte della sitografia è tratta da Wikipedia, l’Enciclopedia Libera.

In particolar modo si citano le seguenti voci (principali), da cui possono anche esser state prelevate immagini:

http://it.wikipedia.org/wiki/Valvola_termoionica http://it.wikipedia.org/wiki/Diodo http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo http://it.wikipedia.org/wiki/Transistor http://it.wikipedia.org/wiki/BJT http://it.wikipedia.org/wiki/Termistore http://it.wikipedia.org/wiki/Pannello_fotovoltaico http://www.vivoscuola.it/US/RSIGPP3202/solare/fisicaFV.htm http://www.ivirgil.it/set/EnergiaVXA/celle_fotovoltaiche.htm

Capitolo 4. Il Diodo L.E.D.

Bibliografia: Clelia Forghino, Luigi Salerno, Lidia Xodo, Tecnica e Formazione vol. 3, Morano Ed. (le applicazioni del laser) Focus n. 163 (maggio 2006) (Mondatori) – articolo “La luce spalmabile” a pag. 24 (alcune informazioni sui Led e sugli Oled, alcune immagini) La maggior parte della sitografia è tratta da Wikipedia, l’Enciclopedia Libera.

In particolar modo si citano le seguenti voci (principali), da cui possono anche esser state prelevate immagini:

http://it.wikipedia.org/wiki/LED http://it.wikipedia.org/wiki/Laser http://it.wikipedia.org/wiki/OLED

Appendice A1. Informazioni aggiuntive sul Silicio e sul Germanio

L’appendice A1 è tratta interamente da Wikipedia alle voci: http://it.wikipedia.org/wiki/Silicio http://it.wikipedia.org/wiki/Germanio

Appendice A2. Sintesi additiva e sintesi sottrattiva dei colori

L’appendice A2 è tratta interamente dal sito Light Education – Educazione alle tecniche della luce: http://lighteducation.com/article.php?sid=99