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C. I. S. I. B.G.A. Borelli

Università degli Studi di BariUniversità degli Studi di Bari

Università degli Studi di Bari Politecnico di Bari

Concetti di base di elettronica

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Ormai non possiamo più farne a meno…Ormai non possiamo più farne a meno…

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Amplificare, perché?Amplificare, perché?(Tutta colpa del II principio della termodinamica)(Tutta colpa del II principio della termodinamica)

sensoreEnergia entranteEnergia entrante Energia uscenteEnergia uscente

Energia dissipataEnergia dissipata(trasferita all’ambiente)(trasferita all’ambiente)

L’energia uscente è sempre minore o uguale dell’energia entranteL’energia uscente è sempre minore o uguale dell’energia entrante

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Corrente e riscaldamentoCorrente e riscaldamento La corrente è costituita da cariche in movimento ordinato.La corrente è costituita da cariche in movimento ordinato. Il movimento delle cariche in un conduttore è provocato da Il movimento delle cariche in un conduttore è provocato da

una differenza di potenziale.una differenza di potenziale. Le cariche in movimento in un conduttore incontrano una Le cariche in movimento in un conduttore incontrano una

resistenza (R).resistenza (R). La resistenza è responsabile del riscaldamento del conduttore.La resistenza è responsabile del riscaldamento del conduttore. Una parte dell’energia posseduta dalle cariche si trasferisce al Una parte dell’energia posseduta dalle cariche si trasferisce al

conduttore sotto forma di calore.conduttore sotto forma di calore.

RCorrente Corrente

+ -Differenza di potenziale

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Amplificare, sì!Amplificare, sì!

Amplificatore

Energia entrante

Informazione(segnale uscente)

Energia dissipata(trasferita all’ambiente)

Informazione(segnale entrante)

Alimentazione

Scopo dell’amplificazione: fare in modo che l’energia del segnale (informazione) uscente sia maggiore rispetto a quella del segnale entrante, sfruttando l’energia di una fonte di alimentazione che non porta informazione.

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radioradio

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Modulazione di ampiezzaModulazione di ampiezza

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Effetto termoionico Effetto termoionico il diodo il diodo

Furono Julius Elster e Hans Geitel (1882–1889) a chiarire che si Furono Julius Elster e Hans Geitel (1882–1889) a chiarire che si tratta di una tratta di una proprietà del metallo alla temperatura proprietà del metallo alla temperatura assegnataassegnata. Rilevarono inoltre che tale emissione non è costante, . Rilevarono inoltre che tale emissione non è costante, ma tende a diminuire rapidamente, e soprattutto individuarono ma tende a diminuire rapidamente, e soprattutto individuarono che ad alta temperatura si verifica l'emissione di ioni negativi, che ad alta temperatura si verifica l'emissione di ioni negativi, che a differenza dell'altra, mantiene un livello costante, fino alla che a differenza dell'altra, mantiene un livello costante, fino alla scarica del metallo.scarica del metallo.

Le prime osservazioni del fenomeno Le prime osservazioni del fenomeno risalgono al 1873 in Gran Bretagna, risalgono al 1873 in Gran Bretagna, quando Frederick Guthrie, che eseguiva quando Frederick Guthrie, che eseguiva ricerche su degli oggetti carichi, scoprì ricerche su degli oggetti carichi, scoprì che una sfera di ferro rovente perde in che una sfera di ferro rovente perde in aria la propria carica se positiva, ma non aria la propria carica se positiva, ma non se negativa.se negativa.

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Effetto termoionicoEffetto termoionico

L'emissione degli elettroni avviene come conseguenza L'emissione degli elettroni avviene come conseguenza dell'aumento della loro energia cinetica, rivelato come aumento dell'aumento della loro energia cinetica, rivelato come aumento della temperatura, che permette loro di vincere la forza che li della temperatura, che permette loro di vincere la forza che li trattiene vincolati agli atomi del materiale. trattiene vincolati agli atomi del materiale.

L'effetto termoionico, detto anche effetto L'effetto termoionico, detto anche effetto termoelettronico, consiste nell'emissione termoelettronico, consiste nell'emissione indotta termicamente di particelle indotta termicamente di particelle cariche (elettroni o ioni), da parte di un cariche (elettroni o ioni), da parte di un materiale, tipicamente un metallo materiale, tipicamente un metallo riscaldato ad alta temperatura a seguito riscaldato ad alta temperatura a seguito del passaggio di una corrente elettrica.del passaggio di una corrente elettrica.

Le emissioni da una superficie metallica in un ambiente in cui è Le emissioni da una superficie metallica in un ambiente in cui è stato realizzato il vuoto diventano significative soltanto per stato realizzato il vuoto diventano significative soltanto per

temperature superiori ai 1000 Ktemperature superiori ai 1000 K

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Effetto termoionico Effetto termoionico il diodo il diodo

Edison costruì diversi bulbi Edison costruì diversi bulbi sperimentali, alcuni con più di un filo, sperimentali, alcuni con più di un filo, una piastra o una lamina metallica una piastra o una lamina metallica inserita nel bulbo. Questo elettrodo inserita nel bulbo. Questo elettrodo metallico extra era collegato al metallico extra era collegato al filamento tramite un galvanometro filamento tramite un galvanometro all'esterno del bulboall'esterno del bulbo

Nel frattempo, l'effetto fu riscoperto da Nel frattempo, l'effetto fu riscoperto da Thomas EdisonThomas Edison il 13 febbraio 1880, il 13 febbraio 1880, mentre cercava di comprendere la mentre cercava di comprendere la ragione della rottura dei filamenti e ragione della rottura dei filamenti e dell'annerimento irregolare dei bulbi dell'annerimento irregolare dei bulbi delle sue lampade ad incandescenza. delle sue lampade ad incandescenza.

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Effetto termoionico Effetto termoionico il diodo il diodo

Durante gli esperimenti, se alla lamina Durante gli esperimenti, se alla lamina era imposta una carica negativa era imposta una carica negativa maggiore (in modulo) di quella del maggiore (in modulo) di quella del filamento, allora non si verificava tra di filamento, allora non si verificava tra di essi alcun passaggio di corrente essi alcun passaggio di corrente altrimenti, quando alla lamina era altrimenti, quando alla lamina era imposta una carica positiva maggiore di imposta una carica positiva maggiore di quella del filamento, si registrava un quella del filamento, si registrava un flusso di corrente di cariche negative che flusso di corrente di cariche negative che si spostavano dal filamento alla lamina si spostavano dal filamento alla lamina attraverso il vuoto. A questa corrente attraverso il vuoto. A questa corrente unidirezionale venne assegnato il nome unidirezionale venne assegnato il nome di di effetto Edisoneffetto Edison. .

laminalamina

filamentofilamento

laminalamina

filamentofilamento

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Il diodoIl diodo

È un componente a due terminali, chiamati:È un componente a due terminali, chiamati: anodoanodo (dal greco “salita”); (dal greco “salita”); catodocatodo (dal greco “discesa”). (dal greco “discesa”).

La proprietà fondamentale del diodo è che si lascia attraversare La proprietà fondamentale del diodo è che si lascia attraversare dalla dalla correntecorrente solo quando questa scorre solo quando questa scorre dall’anododall’anodo versoverso ilil catodocatodo. Quando la corrente proviene dal verso opposto, il . Quando la corrente proviene dal verso opposto, il diodo ne impedisce il passaggio e si comporta come un diodo ne impedisce il passaggio e si comporta come un interruttoreinterruttore apertoaperto..

Simbolo circuitale del diodoSimbolo circuitale del diodo

AnodoAnodo CatodoCatodo++ --

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Come funziona un diodoCome funziona un diodo

Se colleghiamo l’anodo al polo positivo di una batteria ed il catodo Se colleghiamo l’anodo al polo positivo di una batteria ed il catodo al polo negativo, si nota il al polo negativo, si nota il passaggio della corrente nel circuitopassaggio della corrente nel circuito..Se si inverte il collegamento e si unisce l’anodo con il polo Se si inverte il collegamento e si unisce l’anodo con il polo negativo ed il catodo con il polo positivo, il diodo negativo ed il catodo con il polo positivo, il diodo non conduce la non conduce la correntecorrente ed il suo comportamento è praticamente uguale a quello ed il suo comportamento è praticamente uguale a quello di un di un circuito apertocircuito aperto..

++ -- ++--

II

C’è passaggio di correnteC’è passaggio di correntePOLARIZZAZIONE DIRETTAPOLARIZZAZIONE DIRETTA

Non c’è passaggio di correnteNon c’è passaggio di correntePOLARIZZAZIONE INVERSAPOLARIZZAZIONE INVERSA

II

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Il raddrizzatoreIl raddrizzatoreSfruttando la proprietà dei diodi di lasciarsi attraversare dalla Sfruttando la proprietà dei diodi di lasciarsi attraversare dalla corrente solo in un verso, si possono realizzare i corrente solo in un verso, si possono realizzare i raddrizzatoriraddrizzatori..Un raddrizzatore serve per ottenere un Un raddrizzatore serve per ottenere un valore praticamente valore praticamente continuo di tensionecontinuo di tensione a partire da una tensione alternata. a partire da una tensione alternata.

DD-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

Schema di un raddrizzatoreSchema di un raddrizzatore

~~vvss(t)(t)RR

CCTensione Tensione

sinusoidale in sinusoidale in ingressoingresso

Tensione Tensione raddrizzata in raddrizzata in

uscitauscita

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

I raddrizzatori sono i componenti fondamentali per la I raddrizzatori sono i componenti fondamentali per la realizzazione degli alimentatori a corrente continua, ma realizzazione degli alimentatori a corrente continua, ma

anche per la rilevazione dei segnali radaranche per la rilevazione dei segnali radar

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Sviluppo dell’amplificatore: i diodi rettificatoriSviluppo dell’amplificatore: i diodi rettificatori

Sir J. Ambrose Fleming (1904): Sir J. Ambrose Fleming (1904): Kenotron (rectifier valve)Kenotron (rectifier valve)

Lee De Forest (1908): Lee De Forest (1908): AmplificatoreAmplificatore AudionAudion

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Il primo amplificatore: il triodo (figlio dell’Audion)Il primo amplificatore: il triodo (figlio dell’Audion)

Alimentazione

Segnale entrante

Segnale uscente

TriodoSegnale uscente

Energia dissipata(trasferita all’ambiente)

Segnale entrante

Alimentazione

ProblemiProblemi: : – IngombrantiIngombranti– Alimentazione ad alta energiaAlimentazione ad alta energia– Limiti sulla massima frequenza del segnaleLimiti sulla massima frequenza del segnale Ritorno al cat-whisker?Ritorno al cat-whisker?

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Cat-whisker detectorCat-whisker detector

Sir R. E. Peierls(Cambridge University)

Questione non risolta: il point-contact rectifier funziona perché usa un semiconduttore (la galena)?

Felix Bloch(University of Leipzig)

“One shouldn’t work on semiconductors, that is a filthy mess [letamaio]; who knows whether any semiconductors exist.” W. Pauli, 1931 (1)

Galena(Solfuro di Piombo)

Punta metallica

(1) Citato in Out of the Crystal Maze: Chapters from the History of Solid-State Physics Eds. Hoddeson, L., Braun, E., Teichmann, J., & Weart, S., Oxford University Press, Oxford, 1992).

Nevill Mott (Bristol University)

Walter Schottky (Siemens)

Alan Wilson(Cambridge University)

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Succede ai Bell Labs (New York) nel 1936Succede ai Bell Labs (New York) nel 1936

Cosa accade al IV piano del Building 1 dei Bell Labs in Murray Hill, NJ qualche anno dopo?

Mervin Kelly diventa direttore del settore ricerca.È convinto che i tubi a vuoto non sono l’unica possibilità per i dispositivi elettronici. Decide di investire nei dispositivi a stato solido.

Forma un nuovo gruppo di ricercatori e chiama William Schokley e Russell Ohl

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La scoperta (casuale) di Russell Ohl Nel 1940 lavora alla purificazione del silicio (materiale Nel 1940 lavora alla purificazione del silicio (materiale

semiconduttore). Scopre che un rettificatore con contatto a semiconduttore). Scopre che un rettificatore con contatto a punta, costruito con un pezzo di silicio, si comporta in modo punta, costruito con un pezzo di silicio, si comporta in modo particolare: a seconda del punto in cui si posiziona la punta di particolare: a seconda del punto in cui si posiziona la punta di metallo, la corrente scorre in un verso differente. Il pezzo di metallo, la corrente scorre in un verso differente. Il pezzo di silicio contiene due tipi di impurità, il fosforo e il boro.silicio contiene due tipi di impurità, il fosforo e il boro.

- +Corrente

No Corrente

Sì

Impurità di fosforo(eccesso di elettroni rispetto al germanio)

Silicio tipo n

Impurità di boro(carenza di elettroni,

interpretata come eccesso di lacune)

Silicio tipo p

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Un effetto troppo stranoUn effetto troppo strano

I manager della Bell Telephone non si I manager della Bell Telephone non si fidano e chiedono a Walter Brattain di fidano e chiedono a Walter Brattain di rifare le misure (che vengono rifare le misure (che vengono confermate).confermate).

Ohl ha inventato il diodo a giunzione, ma Ohl ha inventato il diodo a giunzione, ma la ricerca ai Bell Labs non può andare la ricerca ai Bell Labs non può andare avanti.avanti.

Il gruppo di ricerca si divide.Il gruppo di ricerca si divide. Walter BrattainWalter Brattain

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La seconda guerra mondialeLa seconda guerra mondiale Il diodo a giunzione viene utilizzato nei sistemi radar.Il diodo a giunzione viene utilizzato nei sistemi radar.

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La giunzione p-nLa giunzione p-nI diodi usati nei circuiti elettronici sono realizzati usando i I diodi usati nei circuiti elettronici sono realizzati usando i semiconduttori.semiconduttori.Se uniamo un semiconduttore di tipo n ad un altro di tipo p si Se uniamo un semiconduttore di tipo n ad un altro di tipo p si realizza unarealizza una giunzione p-n giunzione p-n..Applicando la fisica dei semiconduttori, si dimostra che Applicando la fisica dei semiconduttori, si dimostra che la giunzione la giunzione p-n si può usare come un diodop-n si può usare come un diodo:: la parte di silicio di tipo p costituisce l’la parte di silicio di tipo p costituisce l’anodoanodo,, la parte di silicio di tipo n costituisce il la parte di silicio di tipo n costituisce il catodocatodo..

Si-pSi-p Si-nSi-n

AnodoAnodo CatodoCatodo++ --

+ -

p n

+-

I

p n

V V

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Obiettivi, scelte e difficoltàObiettivi, scelte e difficoltà

Obiettivo: superare gli amplificatori a valvole e realizzare un Obiettivo: superare gli amplificatori a valvole e realizzare un amplificatore a stato solidoamplificatore a stato solido..

Criterio di scelta: la semplicità. Il silicio ed il germanio sono Criterio di scelta: la semplicità. Il silicio ed il germanio sono preferiti alla galena.preferiti alla galena.

Si sfrutta il sistema a punta di contatto metallo-Si sfrutta il sistema a punta di contatto metallo-semiconduttore.semiconduttore.

La superficie di contatto è fondamentale: deve essere priva di La superficie di contatto è fondamentale: deve essere priva di impurità (Bardeen e Brattain lavorano a purificare la impurità (Bardeen e Brattain lavorano a purificare la superficie del silicio).superficie del silicio).

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dicembre 1947: dicembre 1947: il primo amplificatore a semiconduttoreil primo amplificatore a semiconduttore

Base metallica

Collettore

Emettitore Isolante

GermanioL’emettitore “spara” gli elettroni nel germanio, che fa da base.Il collettore li raccoglie.Il transistor è un dispositivo con 3 terminali (il diodo invece ne ha 2)

Se varia la corrente che passa nella base, si ritrova la stessa variazione, ma amplificata, nella corrente di collettore.

AlimentazioneAlimentazione--

SegnaleSegnale++

segnalesegnaleamplificatoamplificato

AlimentazioneAlimentazione++

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Perché amplifica?Perché amplifica?

Lo schema originale preparato da Bardeen e Brattain per la presentazione ai manager della Bell company verso Lo schema originale preparato da Bardeen e Brattain per la presentazione ai manager della Bell company verso il Natale 1947.il Natale 1947.

La spiegazione di Bardeen e Brattain: c’è una variazione della resistenza superficiale del La spiegazione di Bardeen e Brattain: c’è una variazione della resistenza superficiale del germanio, ma non si sa da cosa è provocata.germanio, ma non si sa da cosa è provocata.

Schockey (torna al lavoro poco prima di Natale, seccato di non aver partecipato Schockey (torna al lavoro poco prima di Natale, seccato di non aver partecipato all’evento) non è d’accordo.all’evento) non è d’accordo.

?? ??

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16 dicembre 1947:16 dicembre 1947:la nascita ufficiale del primo transistor la nascita ufficiale del primo transistor

La foto ufficiale della scopertaLa foto ufficiale della scoperta

Attenzione:Attenzione: manca buona parte del gruppo di manca buona parte del gruppo di

ricerca;ricerca; tutti pensano che si tratti del tutti pensano che si tratti del

laboratorio di Schockley (è il più laboratorio di Schockley (è il più famoso dei tre, seduto), ma la famoso dei tre, seduto), ma la scoperta avviene nel laboratorio di scoperta avviene nel laboratorio di Brattain (in piedi a destra).Brattain (in piedi a destra).

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Il brevetto US2524035 (A)Il brevetto US2524035 (A)

“Three-electrode circuit element utilizing semiconductive materials”

(26.02.1948)Non si parla di transistor

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I materiali si possono classificare in base al loro comportamento elettrico I materiali si possono classificare in base al loro comportamento elettrico in:in:

CONDUTTORI:CONDUTTORI:

presenza di cariche elettriche “mobili” che possono spostarsi presenza di cariche elettriche “mobili” che possono spostarsi sotto l’azione di forze elettrichesotto l’azione di forze elettriche

ISOLANTI (o dielettrici):ISOLANTI (o dielettrici):

cariche elettriche fortemente legate agli atomi e non cariche elettriche fortemente legate agli atomi e non disponibili per costituire una correntedisponibili per costituire una corrente

SEMICONDUTTORI…SEMICONDUTTORI…

Classificazione dei materiali in base alla conducibilitàClassificazione dei materiali in base alla conducibilità

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I semiconduttoriI semiconduttori

I semiconduttori sono materiali dotati di una proprietà I semiconduttori sono materiali dotati di una proprietà particolare: particolare:

a a temperaturatemperatura moltomolto bassabassa (vicina allo zero assoluto), si (vicina allo zero assoluto), si comportano come comportano come isolantiisolanti;;

aumentandoaumentando la temperatura, il valore della la temperatura, il valore della resistivitàresistività diminuiscediminuisce e sono in grado di condurre una piccola e sono in grado di condurre una piccola corrente;corrente;

a a temperaturatemperatura ambienteambiente (27° C) i semiconduttori (27° C) i semiconduttori presentano un valore di presentano un valore di resistivitàresistività compresocompreso tra quello tra quello dei dei conduttoriconduttori e quello degli e quello degli isolantiisolanti..

Ricordiamo che la Ricordiamo che la resistivitàresistività (o resistenza specifica) di un certo materiale (o resistenza specifica) di un certo materiale è la resistenza di un pezzo di materiale di lunghezza 1 m e sezione 1 mè la resistenza di un pezzo di materiale di lunghezza 1 m e sezione 1 m22. . Si misura generalmente in Si misura generalmente in × cm o in × cm o in × mm × mm22 / m / m

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La resistività nei conduttori, negli isolanti e nei La resistività nei conduttori, negli isolanti e nei semiconduttori a temperatura ambientesemiconduttori a temperatura ambiente

Argento Argento 1,6 x 101,6 x 10-2-2

Rame Rame 1,7 x 10 1,7 x 10 -2-2

Oro Oro 2,4 x 10 2,4 x 10 -2-2

Alluminio Alluminio 2,8 x 10 2,8 x 10 -2-2

Zolfo Zolfo 10102121

Legno seccoLegno secco 10103131

Vetro Vetro 10103636

Mica Mica 10103838

ResistivitàResistività(( × mm × mm22 / m) / m)

ResistivitàResistività(( × mm × mm22 / m) / m)

ConduttoriConduttori IsolantiIsolanti

Germanio Germanio 6,0 x 106,0 x 1033

SilicioSilicio 2,3 x 102,3 x 1099

SemiconduttoriSemiconduttori ResistivitàResistività(( × mm × mm22 / m) / m)

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Da cosa dipende la resistività? Da cosa dipende la resistività?

La resistività dipende dal tipo di legame tra gli elettroni e gli La resistività dipende dal tipo di legame tra gli elettroni e gli atomi del materiale.atomi del materiale.

Nel caso dei Nel caso dei conduttoriconduttori il movimento delle cariche, sotto il movimento delle cariche, sotto l’azione di un campo elettrico esterno (prodotto applicando l’azione di un campo elettrico esterno (prodotto applicando una differenza di potenziale) produce il passaggio di una una differenza di potenziale) produce il passaggio di una corrente (=cariche in moto).corrente (=cariche in moto).

Nei materiali Nei materiali isolantiisolanti gli elettroni sono gli elettroni sono legatilegati agli atomi ed è agli atomi ed è necessaria una grande necessaria una grande quantità di energiaquantità di energia per rompere i per rompere i legami.legami.

Cosa accade nei semiconduttori?Cosa accade nei semiconduttori?

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Bande energeticheBande energetiche

In un isolante (o semiconduttore non drogato), non può In un isolante (o semiconduttore non drogato), non può esistere un elettrone, in uno stato stazionario, che abbia esistere un elettrone, in uno stato stazionario, che abbia un'energia compresa tra gli estremi nella banda proibita. un'energia compresa tra gli estremi nella banda proibita. Generalmente la banda permessa di energia inferiore si Generalmente la banda permessa di energia inferiore si chiama banda di valenza, mentre quella superiore si chiama chiama banda di valenza, mentre quella superiore si chiama banda di conduzione.banda di conduzione.

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Bande energeticheBande energetiche

Si considerano conduttori i materiali che esibiscono bande Si considerano conduttori i materiali che esibiscono bande sovrapposte o con un piccolissimo gap, mentre sono definiti sovrapposte o con un piccolissimo gap, mentre sono definiti isolanti quelli che presentano un'ampia zona interdetta. isolanti quelli che presentano un'ampia zona interdetta.

A metà strada si collocano i A metà strada si collocano i semiconduttorisemiconduttori, simili agli isolanti, , simili agli isolanti, ma con una banda interdetta relativamente poco ampia.ma con una banda interdetta relativamente poco ampia.

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Bande energeticheBande energeticheA temperatura ambiente, una porzione A temperatura ambiente, una porzione (generalmente molto piccola, ma non (generalmente molto piccola, ma non trascurabile) di elettroni in un semiconduttore trascurabile) di elettroni in un semiconduttore sono stati termicamente eccitati e portati dalla sono stati termicamente eccitati e portati dalla "banda di valenza", la banda completa a 0 K, "banda di valenza", la banda completa a 0 K, alla "banda di conduzione", la più vicina banda alla "banda di conduzione", la più vicina banda superiore. La facilità con cui gli elettroni superiore. La facilità con cui gli elettroni possono essere portati dalla banda di valenza possono essere portati dalla banda di valenza alla banda di conduzione dipende dal gap di alla banda di conduzione dipende dal gap di energia tra le bande, ed è la grandezza di questo energia tra le bande, ed è la grandezza di questo gap di energia che serve come parametro pergap di energia che serve come parametro perdividere i semiconduttori dagli isolanti. dividere i semiconduttori dagli isolanti. I semiconduttori I semiconduttori generalmente hanno gap di energia di circa 1 elettron-volt, generalmente hanno gap di energia di circa 1 elettron-volt, mentre gli isolanti hanno gap di energia molte volte maggiorimentre gli isolanti hanno gap di energia molte volte maggiori

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Bande energeticheBande energetiche

Quando gli elettroni sono portati dalla banda di Quando gli elettroni sono portati dalla banda di valenza alla banda di conduzione in un valenza alla banda di conduzione in un semiconduttore, semiconduttore, entrambe le bande entrambe le bande contribuiscono alla conduzionecontribuiscono alla conduzione, perché la , perché la conduzione può avvenire in ogni banda di conduzione può avvenire in ogni banda di energia non completamente piena. Gli elettroni energia non completamente piena. Gli elettroni nella banda di conduzione sono chiamati nella banda di conduzione sono chiamati "elettroni liberi," o "elettroni". Gli stati "elettroni liberi," o "elettroni". Gli stati energetici liberi nella banda di valenza sono energetici liberi nella banda di valenza sono chiamati "lacune" (o "holes"). chiamati "lacune" (o "holes"). Benché non Benché non siano in effetti delle vere entità fisiche siano in effetti delle vere entità fisiche (anzi (anzi sono l'assenza di elettroni in certi statisono l'assenza di elettroni in certi statiche hanno un comportamento molto simile a quello di particelle che hanno un comportamento molto simile a quello di particelle cariche positivamente, e sono usualmente trattati come se fossero cariche positivamente, e sono usualmente trattati come se fossero vere particelle carichevere particelle cariche. .

energetici),energetici), si può mostrare si può mostrare

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Lacune ed elettroniLacune ed elettroni

Banda di Banda di conduzioneconduzione

Banda di valenzaBanda di valenza

Zona proibitaZona proibita

elettroneelettrone

lacunalacuna

Per ogni elettrone che salta nella banda di conduzione (cioè Per ogni elettrone che salta nella banda di conduzione (cioè che acquista l’energia necessaria a rompere il legame che acquista l’energia necessaria a rompere il legame atomico) si genera una lacuna nella banda di valenzaatomico) si genera una lacuna nella banda di valenza

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DrogaggioDrogaggio

Il numero di cariche che possono liberarsi dal legame atomico può Il numero di cariche che possono liberarsi dal legame atomico può essere aumentato, inserendo nel materiale delle quantità essere aumentato, inserendo nel materiale delle quantità piccolissime di altri elementi (meno di un atomo ogni milione di piccolissime di altri elementi (meno di un atomo ogni milione di atomi di semiconduttore), chiamati atomi di semiconduttore), chiamati drogantidroganti. Con processi . Con processi tecnologici possono quindi essere variate le proprietà elettriche del tecnologici possono quindi essere variate le proprietà elettriche del semiconduttore.semiconduttore.

I droganti che forniscono elettroni si definisco “I droganti che forniscono elettroni si definisco “donatoridonatori”, quelli ”, quelli che forniscono lacune di dicono “che forniscono lacune di dicono “accettoriaccettori”.”.

Elementi donatori (Elementi donatori (Tipo n): Tipo n): arsenico (As), fosforo (P), arsenico (As), fosforo (P), antimonio (Sb) antimonio (Sb).. Elementi accettori (Elementi accettori (Tipo p): Tipo p): boro (B), gallio (Ga), indio (In)boro (B), gallio (Ga), indio (In)..

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Il SilicioIl Silicio

È un elemento molto diffuso in natura: è presente nella sabbia È un elemento molto diffuso in natura: è presente nella sabbia e in molti minerali (i silicati).e in molti minerali (i silicati).

Per ottenere il materiale adatto alle applicazioni elettroniche è Per ottenere il materiale adatto alle applicazioni elettroniche è indispensabile sottoporre i silicati ad un processo di indispensabile sottoporre i silicati ad un processo di purificazione, in modo da eliminare tutte le impurità purificazione, in modo da eliminare tutte le impurità normalmente presenti.normalmente presenti.

Il semiconduttore impiegato nei componenti elettronici Il semiconduttore impiegato nei componenti elettronici commerciali è il commerciali è il SilicioSilicio..

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Semiconduttori intrinseci e drogatiSemiconduttori intrinseci e drogati

Il silicio Il silicio puropuro è un esempio di è un esempio di semiconduttoresemiconduttore intrinsecointrinseco.. Se introduciamo degli Se introduciamo degli accettoriaccettori, (, (forniscono lacuneforniscono lacune)) quindi quindi

aumentiamo il livello delle cariche positive, il silicio viene aumentiamo il livello delle cariche positive, il silicio viene detto di detto di tipotipo pp..

Se introduciamo dei Se introduciamo dei donatoridonatori, (, (forniscono elettroniforniscono elettroni) ) il silicio il silicio viene detto di viene detto di tipo ntipo n..

DrogantiDroganti

nessunonessuno

accettoriaccettori

donatoridonatori

Tipo di semiconduttoreTipo di semiconduttore

intrinsecointrinseco

Tipo pTipo p

Tipo nTipo n

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Impurezze che introducono livelli Impurezze che introducono livelli vicinivicini alla banda di alla banda di valenzavalenza danno luogo a un materiale in cui domina il danno luogo a un materiale in cui domina il trasporto di corrente per lacune. trasporto di corrente per lacune.

B.C.

B.V.Tipo-p

B.C.

B.V.Tipo-n

Tipo-pTipo-p

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Impurezze che introducono livelli Impurezze che introducono livelli vicini alla banda di vicini alla banda di conduzioneconduzione danno luogo a un materiale in cui domina il danno luogo a un materiale in cui domina il trasporto di corrente per elettroni. trasporto di corrente per elettroni.

B.C.

B.V.Tipo-p

B.C.

B.V.Tipo-n

Tipo-nTipo-n

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Il transistor bipolare a giunzione: l’unione di due diodiIl transistor bipolare a giunzione: l’unione di due diodi

Se congiungiamo l’anodo (la parte di tipo p) di due giunzioni Se congiungiamo l’anodo (la parte di tipo p) di due giunzioni p-n otteniamo un p-n otteniamo un transistor bipolare a giunzione transistor bipolare a giunzione (tipo NPN)(tipo NPN)

Si-pSi-pSi-nSi-n Si-nSi-n

Il transistor bipolare viene indicato con la sigla Il transistor bipolare viene indicato con la sigla BJTBJT (Bipolar (Bipolar Junction Transistor).Junction Transistor).

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Il transistor bipolare (BJT)Il transistor bipolare (BJT)

È un dispositivo con È un dispositivo con tretre terminali, chiamati: terminali, chiamati: Emettitore (E);Emettitore (E); Base (B);Base (B); Collettore (C).Collettore (C). CC

EE

BBSimbolo circuitale del Simbolo circuitale del transistor bipolaretransistor bipolare

Il BJT ha un comportamento che varia a seconda della Il BJT ha un comportamento che varia a seconda della tensione applicata alle due giunzioni che lo compongono (la tensione applicata alle due giunzioni che lo compongono (la giunzione Base-Emettitore e la giunzione Base-Collettore).giunzione Base-Emettitore e la giunzione Base-Collettore).

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Struttura del BJTStruttura del BJT

Si-pSi-pSi-nSi-n Si-nSi-nemettitoreemettitorecollettorecollettore

GiunzioneGiunzionebase-emettitorebase-emettitore

GiunzioneGiunzionebase-collettorebase-collettore

basebase

Esistono diverse possibilità di utilizzo del transistor bipolare.Esistono diverse possibilità di utilizzo del transistor bipolare.Sfruttando le sue caratteristiche, si può usare:Sfruttando le sue caratteristiche, si può usare: nel campo digitale come interruttore;nel campo digitale come interruttore; nel campo analogico come amplificatore.nel campo analogico come amplificatore.

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Polarizzazione del BJT(1)Polarizzazione del BJT(1)

Polarizzare una giunzione significa applicare una tensione.Polarizzare una giunzione significa applicare una tensione.Il comportamento del BJT dipenderà dal valore delle tensioni Il comportamento del BJT dipenderà dal valore delle tensioni di polarizzazione delle due giunzioni.di polarizzazione delle due giunzioni.Si possono ottenere 4 tipi di funzionamento diverso, a Si possono ottenere 4 tipi di funzionamento diverso, a seconda del valore delle tensioni di polarizzazione.seconda del valore delle tensioni di polarizzazione.

NP

N

C

BE

BB

EE CC

VVBEBE VVBCBC

+ -

p n

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Polarizzazione del BJT (2)Polarizzazione del BJT (2)

Caso 1: entrambe le giunzioni polarizzate inversamente.Caso 1: entrambe le giunzioni polarizzate inversamente.La polarizzazione inversa impedisce il passaggio della La polarizzazione inversa impedisce il passaggio della corrente. Il BJT è “spento” (ossia funziona in “corrente. Il BJT è “spento” (ossia funziona in “zona di zona di interdizioneinterdizione”).”).

BB

EE CC

VVBE BE < 0< 0 VVBCBC < 0 < 0BB

EE CC

VVBE BE > 0> 0 VVBCBC > 0 > 0

Caso2: entrambe le giunzioni polarizzate direttamente.Caso2: entrambe le giunzioni polarizzate direttamente.

La corrente entra dalla base ed esce da emettitore e collettore.La corrente entra dalla base ed esce da emettitore e collettore.

Il BJT funziona in “Il BJT funziona in “zona di saturazionezona di saturazione””

Zona di interdizioneZona di interdizione Zona di saturazioneZona di saturazione

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Polarizzazione del BJT (3)Polarizzazione del BJT (3)

Per poter ottenere l’effetto transistor (abbreviazione di Per poter ottenere l’effetto transistor (abbreviazione di “transfer resistor”) ossia “transfer resistor”) ossia l’effetto di amplificazionel’effetto di amplificazione è è necessario che una giunzione venga polarizzata direttamente necessario che una giunzione venga polarizzata direttamente mentre l’altra inversamente. mentre l’altra inversamente.

NP N

CBE

BB

EE CC

VVBE BE > 0> 0 VVBCBC < 0 < 0

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Polarizzazione in zona attiva diretta (1)Polarizzazione in zona attiva diretta (1)

Polarizziamo positivamente la giunzione Base-Emettitore e Polarizziamo positivamente la giunzione Base-Emettitore e negativamente la giunzione Base-Collettore.negativamente la giunzione Base-Collettore.Il funzionamento è detto in “Il funzionamento è detto in “zona attiva direttazona attiva diretta”.”.Se la base è sufficientemente sottile, le cariche provenienti Se la base è sufficientemente sottile, le cariche provenienti dall’emettitore vengono iniettate nella base e si trovano dall’emettitore vengono iniettate nella base e si trovano subito a ridosso della giunzione Base-Collettore.subito a ridosso della giunzione Base-Collettore.

NP

N

C++

B +E -

Movimento Movimento degli elettronidegli elettroni

VVBE BE > 0> 0 VVBC BC < 0< 0

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Polarizzazione in zona attiva diretta (2)Polarizzazione in zona attiva diretta (2)

La giunzione Base-Collettore è polarizzata inversamente.La giunzione Base-Collettore è polarizzata inversamente.Il campo elettrico all’interno della giunzione Base-Collettore Il campo elettrico all’interno della giunzione Base-Collettore tende a spingere gli elettroni verso il collettore, accelerandoli.tende a spingere gli elettroni verso il collettore, accelerandoli.

NP

N

C ++B +

EMovimento Movimento

degli elettronidegli elettroni

Campo elettrico Campo elettrico accelerazione degli elettroni accelerazione degli elettroni

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Il contributo di SchockleyIl contributo di SchockleyIn due mesi, elabora la teoria del transistor bipolare a giunzione (BJT – bipolar In due mesi, elabora la teoria del transistor bipolare a giunzione (BJT – bipolar

junction transistor):junction transistor):– Gli elettroni entrano dall’emettitore Gli elettroni entrano dall’emettitore (E)(E) nella base nella base (B)(B)– Gli elettroni che riescono ad attraversare la B arrivano in prossimità del collettore Gli elettroni che riescono ad attraversare la B arrivano in prossimità del collettore (C)(C)– Il C ha un potenziale più alto della B e raccoglie gli elettroniIl C ha un potenziale più alto della B e raccoglie gli elettroni– Una parte degli elettroni si “perdono” nel passaggio per la B e alcune lacune dalla B Una parte degli elettroni si “perdono” nel passaggio per la B e alcune lacune dalla B

riescono a passare nell’E. Sono i due contributi che, sommati, diventano la corrente riescono a passare nell’E. Sono i due contributi che, sommati, diventano la corrente di B.di B.

NP

N

C ++B +

E

Movimento Movimento degli elettronidegli elettroni

Differenza di potenziale Differenza di potenziale accelerazione degli elettroni accelerazione degli elettroni

Movimento Movimento delle lacunedelle lacune

Transistor = Transistor = TRANSfer varisTORTRANSfer varisTORResistore variabile di Resistore variabile di

trasferimento:trasferimento:la corrente si la corrente si “trasferisce” “trasferisce”

dall’emettitore al dall’emettitore al collettorecollettore

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Funzionamento del BJT come amplificatoreFunzionamento del BJT come amplificatore

CB

N P N

E

La corrente che fluisce dal Collettore può essere controllata La corrente che fluisce dal Collettore può essere controllata dalla polarizzazione della zona di Base.dalla polarizzazione della zona di Base.Ricordiamo che la corrente ha verso opposto rispetto al Ricordiamo che la corrente ha verso opposto rispetto al movimento degli elettroni (entra dal collettore e dalla Base ed movimento degli elettroni (entra dal collettore e dalla Base ed esce dall’Emettitore.esce dall’Emettitore.Il controllo della corrente attraverso la polarizzazione della Il controllo della corrente attraverso la polarizzazione della Base rappresenta Base rappresenta l’Effetto TRANSISTORl’Effetto TRANSISTOR (TRANsfer (TRANsfer reSISTOR)reSISTOR)

direttadiretta inversainversaMovimento delle caricheMovimento delle cariche

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Alimentazione del BJTAlimentazione del BJT

-

CC

EE

BB

+

-

+

alimentazionealimentazionesegnalesegnale

Segnale amplificatoSegnale amplificato

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Alimentazione del BJTAlimentazione del BJT

Si-pSi-pSi-nSi-n Si-nSi-nemettitoreemettitorecollettorecollettore

GiunzioneGiunzionebase-emettitorebase-emettitore

GiunzioneGiunzionebase-collettorebase-collettore

basebasesegnalesegnale

segnalesegnaleamplificatoamplificato

--++++

VVCC>V>VBB VVBB>V>VEE++

+ -alimentazionealimentazione

+ -

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Un modello per il BJTUn modello per il BJT

Pensiamo il BJT come una scatola (Black Box), da cui Pensiamo il BJT come una scatola (Black Box), da cui fuoriescono i tre terminali di Base, Emettitore e Collettore.fuoriescono i tre terminali di Base, Emettitore e Collettore.

C

E

B

Se prolunghiamo il terminale di emettitore sia dalla parte della Se prolunghiamo il terminale di emettitore sia dalla parte della Base che da quella del Collettore, possiamo identificare un Base che da quella del Collettore, possiamo identificare un ingressoingresso e una e una uscitauscita del dispositivo. del dispositivo.

BJTC

E

B

EBJT

ingresso uscita

Dato che il terminale di emettitore è in comune tra l’ingresso e Dato che il terminale di emettitore è in comune tra l’ingresso e l’uscita, la configurazione viene chiamata a “l’uscita, la configurazione viene chiamata a “emettitore emettitore comunecomune””

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Un modello per il BJTUn modello per il BJT

Pensiamo il BJT come una scatola (Black Box), da cui Pensiamo il BJT come una scatola (Black Box), da cui fuoriescono i tre terminali di Base, Emettitore e Collettore.fuoriescono i tre terminali di Base, Emettitore e Collettore.

C

E

B

E

BJT

ingresso uscita

segnalesegnale

segnalesegnaleamplificatoamplificato

-- --

++++++

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Il transistor bipolare come amplificatore (1)Il transistor bipolare come amplificatore (1)

Quindi polarizzando il BJT in zona attiva diretta, la corrente Quindi polarizzando il BJT in zona attiva diretta, la corrente alla porta di uscita (collettore - Ialla porta di uscita (collettore - ICC) risulta essere una copia ) risulta essere una copia amplificata della corrente alla porta d’ingresso (base - Iamplificata della corrente alla porta d’ingresso (base - IBB).).

Il rapporto tra la corrente in uscita e la corrente in ingresso Il rapporto tra la corrente in uscita e la corrente in ingresso prende il nome di prende il nome di guadagno di corrente del transistorguadagno di corrente del transistor..Il funzionamento in Il funzionamento in zona attiva inversazona attiva inversa è esattamente speculare è esattamente speculare rispetto a quello della zona attiva diretta.rispetto a quello della zona attiva diretta.

ingressoingresso

IIBB IICCCC

EE

BB

EEBJTBJT uscitauscita

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La presentazione al pubblicoLa presentazione al pubblico I dirigenti del Bell Labs riescono ad evitare I dirigenti del Bell Labs riescono ad evitare

che il BJT sia considerato come scoperta top che il BJT sia considerato come scoperta top secret dai militari (perché?).secret dai militari (perché?).

Il 30 giugno 1948 si tiene la conferenza Il 30 giugno 1948 si tiene la conferenza stampa a New York, in cui si dimostra la stampa a New York, in cui si dimostra la capacità di amplificare la voce con un BJT.capacità di amplificare la voce con un BJT.

Il New York Times dedica solo poche righe Il New York Times dedica solo poche righe all’evento (perché?).all’evento (perché?).

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Prime applicazioni dei transistorPrime applicazioni dei transistor Nel 1952 la Bell Company deve vendere il brevetto.Nel 1952 la Bell Company deve vendere il brevetto. Gordon Teal lascia i Bell Labs ed entra nella Geophysical Services Incorporated, Gordon Teal lascia i Bell Labs ed entra nella Geophysical Services Incorporated,

che diventerà che diventerà Texas InstrumentTexas Instrument, e continua a lavorare sui transistor e produce la , e continua a lavorare sui transistor e produce la prima radio a transistor. prima radio a transistor.

Masaru Ibuka and Akio Morita fondano la Tokyo Tsushin Kogyo, che compra il Masaru Ibuka and Akio Morita fondano la Tokyo Tsushin Kogyo, che compra il brevetto. Dal 1955 la società si chiamerà brevetto. Dal 1955 la società si chiamerà SonySony e alla fine degli anni ’50 produrrà e alla fine degli anni ’50 produrrà una radio a transistor e la una radio a transistor e la pubblicizzerà in modo massicciopubblicizzerà in modo massiccio..

Tutti possono avere la propria Tutti possono avere la propria radio personale. È finita l’era radio personale. È finita l’era della “radio di famiglia”.della “radio di famiglia”.

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Il transistor nei computerIl transistor nei computer Il più famoso computer a valvole (ENIAC) fu costruito nel Il più famoso computer a valvole (ENIAC) fu costruito nel

1945 a Philadelphia, occupava un’intera stanza e provocava 1945 a Philadelphia, occupava un’intera stanza e provocava cali di tensione nella città ogni volta in cui veniva acceso.cali di tensione nella città ogni volta in cui veniva acceso.

A gennaio 1954 i militari chiedono ai Bell Labs di costruire A gennaio 1954 i militari chiedono ai Bell Labs di costruire TRADIC (TRAnsistorized DIgital Computer), che consuma TRADIC (TRAnsistorized DIgital Computer), che consuma 1000 volte meno e occupa solo un metro cubo di spazio.1000 volte meno e occupa solo un metro cubo di spazio.

ENIAC TRADIC

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transistor ad effetto di campotransistor ad effetto di campo

Il transistor ad effetto di campo, anche chiamato con Il transistor ad effetto di campo, anche chiamato con l'acronimo FET, field-effect transistor, è una tipologia di l'acronimo FET, field-effect transistor, è una tipologia di

transistor largamente usata.transistor largamente usata.

Si tratta di un substrato di materiale semiconduttore drogato, Si tratta di un substrato di materiale semiconduttore drogato, solitamente il silicio, al quale sono applicati quattro terminali: solitamente il silicio, al quale sono applicati quattro terminali: gate (porta), source (sorgente), drain (pozzo) e bulk gate (porta), source (sorgente), drain (pozzo) e bulk (substrato); quest'ultimo, se presente, è generalmente (substrato); quest'ultimo, se presente, è generalmente connesso al source. Il principio di funzionamento del connesso al source. Il principio di funzionamento del transistor a effetto di campo si fonda sulla possibilità di transistor a effetto di campo si fonda sulla possibilità di controllare la conduttività elettricacontrollare la conduttività elettrica del dispositivo, e quindi del dispositivo, e quindi la corrente elettrica che lo attraversa, mediante la la corrente elettrica che lo attraversa, mediante la formazione formazione di un campo elettrico al suo interno. di un campo elettrico al suo interno.

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Miniaturizzazione e MicroprocessoriMiniaturizzazione e Microprocessori1971: il 4004,

primo microprocessore CHIP2000: Pentium® 4

www.intel.com/museum/

1974: Altair, il primo personal computer

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Micro-nano elettronicaMicro-nano elettronica

Il numero di transistor (indice della potenza di calcolo) raddoppia ogni 18 – 24 mesi”

(Moore 1975)

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Futuro?Futuro?

NANOTRANSISTOR NEC: 5 nm

(18 volte più piccolo di quelli ora in produzione)

1 cm2 di silicio potrà ospitare 40 miliardi di nanotransistor, 150 volte più del numero attuale.

Nel 2001 si credeva che si sarebbe scesi sotto i 9 nm solo nel 2016!

OROORO

MOLECOLA

SiO2

Piridina + Co + S

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Le molecole di DNA hanno enormi potenzialità di calcolo. Il DNA potrebbe un giorno essere integrato in un chip per realizzare un velocissimo “biochip” da inserire in un nanocomputer.

DNA Computer

Futuro??Futuro??

Chip neuronaliChip neuronali

Neurone a lumaca cresciuto dal Max Neurone a lumaca cresciuto dal Max Planck Institute su un dispositivo CMOS Planck Institute su un dispositivo CMOS della Infineon Technologies che misura della Infineon Technologies che misura l’attività elettrica neuronale accoppiando l’attività elettrica neuronale accoppiando chip elettronici e cellule viventichip elettronici e cellule viventi