:��::N�:S:T��=ZIONE
DIODO E
- +-- -CONDENSATORE
Figura 5.3
Visual izziamo cosa su ccede q uando mettiamo u n d i odo nel c i rcu ito. Esso la scerà passare l a metà su periore del l a forma d'onda, ma non la metà inferiore. E' co me se cancel lassimo tutto q u e l l o che sta al d isotto della l i nea trattegg i ata. Tutti g l i i m p u lsi d i corrente c h e passano vengono co nvog l i ati nel la stessa d i rezione. Questa
funzione del d i odo viene chiamata " rettifi cazione". E' per q u esto che i diodi costru iti per q u esto specifico scopo sono c h i amati " rettificatori" (o " raddrizzatori") .
Disg raziatamente, g l i i m pulsi d i co rrente che rimangono dopo la rettificazione non danno una sorgente di potenza molto regol are. Così , q u esto c i rcu ito ci dà u na poss i bi l ità d i d i mostrare cosa può fare u n condensato re i n u n c i rcuito. Q uando met tiamo i l condensatore fra il generato re e i l motore, si ottiene i l risu ltato d i spianare la forma d'onda come i n d i cato i n " B". E' u n po' come costru i re u na strada attraverso u n a serie di col l i ne, l ivel lando le c i me e usando la terra tolta per riem p i re g l i avvalla menti. Come fa questo i l condensatore? R i cordate, la capacità è l'effetto che ritarda delle s u bitanee variazioni di tensione. Un condensatore fa ciò agendo come u n ser batoio d i i m magazzinamento deg l i elettro n i . S i i m mag i n i u n a g rande vasca piena di acqua, come i n F i g u ra 5.4. L'orn i n o scarica ri petutamente dei secchi d'acq u a nel la
Figura 5.4
vasca. Così l'acqu a viene scaricata nel la vasca in getti o i m p u lsi . M a -dall'altra parte del la vasca, l'acq ua deflu isce con flusso ab bastanza costante e regolare. l conden satori i m magazzinano e l i berano elettricità in un modo molto s i m i l e a q uesto.
Poi chè questo particolare d iodo comanda un m otore, dev'essere un d ispositi vo di potenza, molto si m i le a quello visto nella fotog rafia. Esso non deve com m utare ad alte freq uenze - solo a 50 Hz ( c i c l i al secondo) , come la corrente domestica che esso porta.
QUAL'E' UNA TIPICA APPLICAZ I O N E A BASSA POTENZA DI UN D I O DO? Ved iamo ora u n'applicazione a bassa potenza o per seg n a l i picco l i . La più anti ca appl icazi one di un d iodo la s i può trovare nelle vecchie rad io a cristal l o del 1 920 e del 1 930. I l c rista l l o d i solfuro d i piombo ( g alena) , i n q u este rad io, funzionava come un d i odo a semicond uttore, molto prima che la parola "sem icond uttore" entrasse nell' uso. Ved iamo che fu nzione ha.
La F i g u ra 5.5 presenta u n sistema rad i o ricetrasmittente in AM. Sotto og n i sta d i o del sistema vi è un disegno di come le onde appaiono in q u e l l o stad io.
Abbiamo g ià parl ato di queste onde. R icorderete che, nella rad i otrasm issione si usa, per modulare l'ampiezza delle onde ad alta freq uenza p rodotte da un osci l l a�
tore, u n seg nale microfon ico a bassa freq uenza. I l seg nale mod u l ato viene prima convertito i n onde rad io dal l'anten na d i rad iodiffusione e poi riconvertito i n onde elettriche dall'antenna ricevente. Il d iodo a cristallo, avente una potenza nomi nale e una freq uenza massima ammissi bile d i valore modesto, tag l i a una delle parti d i q ue-
SEGNALE M I CROFONO
�
RETTIFICATO�
- TRASMESSO E R I CEVUTO Figura 5.5 R ISPOSTA AURICOLAR Este onde modulate, proprio come faceva i l raddrizzatore con i l motore nel nostro precedente esem pio. Q uesto seg nale radd rizzato eccita g l i au rico lari di una cuffia. Gli au ricolari "fan no la media" deg l i i m pulsi a rad iofreq uenza, in modo molto s i m i l e a q uanto fatto da u n condensatore. G l i au ricolari s o n o i n capaci d i rispondere ad og n i piccolo i m pu lso delle onde portanti ad alta freq uenza, per cui essi fan no la me dia co rrente - e, nel far questo, emettono u n suono che è u na riprod uzione sufficien temente esatta del seg nale m icrofon ico.
S i d i ce che i l microfono " mod u la" i l seg nale, perchè modifica l'am piezza del le onde ad alta freq uenza emessa dal l'osci l l atore. Il processo inverso, compi uto dal diodo, viene perciò chiamato "demodu lazione" o " rivelazione". Pertanto, un diodo i m piegato a questo fine viene chi amato " rivelatore". ! moderni diodi semicond uttori fanno la stessa cosa che facevano i vecchi crista l l i a galena, ma sono più picco l i , han no un'affi dabil ità maggiore, possono portare più potenza e sono m e n o costosi . Poichè la ricezione del le ord i narie rad iod iffusioni i n AM e l'eccitazione deg l i au ri co lari ri chiedono solo una modesta potenza nominale e una modesta freq uenza mas sima amm issibi le, i diodi usati per questo scopo vengono tipicamente chi amati dio
di "general-pu rpose" ( generic i ) .
C H E COS'E' U N D I O D O D I "CLAM PING"?
"Ciamping" ( blocco o fissaggio d i u n l ivel lo) vuoi d i re che la tensione i n un fi lo su pera la tensione i n u n secondo filo. Ved iamo solo u n esem pio, fra le mo lte appl i cazioni di clam ping. Nel circu ito di Figura 5.6, un clamp a diodo viene usato come una specie di valvola d i sicu rezza per proteggere i l transistore dai dan n i dovuti ad eventuali sovratensio n i . I l transistore viene usato per inseri re e disinserire la bob ina d i u n elettromagnete. Questa bobina può fa r parte d i un motore o d i u n relè;
come tutte le bobine, ha u n a g rande i nduttanza. U na volta messi i n moto, g l i elettro ni nella bobina non vog l i o n o più fermars i , anche dopo che i l transistore è stato por tato a l l ' i nterd izione. Q uando i l transistore va a l l ' i nterd izio ne, la corrente viene bl oc cata nel pu nto "A". E' u n po' come ch i udere i l cancel lo d i u n reci nto contro u na
- sv
PRESSIONE ELETTRONI
Figura 5.6
mand ria di cava l l i selvag g i . G l i elettroni seg u itan o ad arrivare e si a m m ucchiano, dando luogo a u n a tensione elevata. Se q u esta è troppo alta, la corrente potrà i rrom pere nel transistore a u na tensione peri colosamente alta e dan neg g i arlo o d i strug gerlo.
La soluzione è sem plice. I nseriamo un d iodo in paral lelo a l l a bob i n a come i n d i cato. I l d iodo non permetterà ag l i elettro n i proven ienti dall'ali m entazione d i aggi rare la bobi n a ed entrare nel transistore. Ma permetterà ag l i elett ro n i di scavalcare ( bypass) la bob i n a nell'altra d i rezione. Così , se la tensione generata dag l i elettroni i n "A"su pera la tensione d i a l i m entazione (5 V ) , i l d iodo l ascia passare g l i elettro n i , d renando l'eccesso di elettroni acc u m u l atosi lontano dal transistore. L'emettitore del transistore è perciò bloccato (clamped) a 5 V. La tensione p u ò essere al d isotto dei 5 V di pressione elettro n i ca, ma non sarà mai molto al di sopra di tale valore. O ltre che per radd rizzare, rivelare e fissare u n l ivel l o , i diodi vengono ancora usati per costru i re dei sem plici gate logici per i calcolatori d i g ital i . S i usano, per questo scopo, più diodi di q uanti non se ne usino per tutti g l i altri scopi . COME VENGONO USATI l DIODI P E R COSTRU I R E D E l GATE LOGICI?
La F i g u ra 5.7 rappresenta u n gate OR, a d ue i n g ressi , a base d i diodi. R icord i a mo che l'uscita di u n gate O R è " u no" ( u no sign ifica u n a tensione alta) solo se c'è u n u n o a l l ' i n g resso "A" o "8".
Gli elettro n i ag l i i n g ressi possono m u oversi solo i n senso en trante e non i n senso uscente, i n conseg uenza d e l fatto c h e i d i o d i s o n o come del le valvole a senso
u n ico. S u p poniamo di avere un 1 a l l ' i n g resso "8". G l i elettro n i fl u i ranno dalla ten
per avere u n o O all' uscita è di avere deg l i O a entrambi g l i i n g ressi. E' u na cosa così sem p l i ce che viene spontaneo chiedersi "che bisogno abbiamo dei d iodi? - perché non lasciare sem p l i cemente scorrere g l i elettron i nei fi l i?" Per rispondere a q u esta domanda, consideriamo cosa accad rebbe se avessi m o u n 1 a l l ' i n g resso "A"e u no O
Figura 5.7
a quello " 8". Senza il d iodo s u l l a via d ' i n g resso dello O per bloccare la co rrente do
vuta ag l i elettro n i uscenti, avremo un cam m i no di corto c i rcu ito e g l i elettro n i usci rebbero attraverso q u esto perco rso, anzichè dall' uscita. La tensione i n uscita avreb be q u i n d i un valore i n defi n ito co mpreso fra la tensione alta e la tensione bassa. L'uscita non sarebbe un sì o un no deciso ma un "forse" . l calcolatori non possono soffri re i "forse", per cui, per costru i re questo genere d i sem p l i ce gate logico sono necessari dei d i od i .
Siete arrivati a u n pu nto tale d i conoscenza da pote rvi spiegare alcu ni fatti, co me q u esto ad esempio: se i n vertiamo la polarità di un d iodo in modo che esso bloc chi la co rrente i m pedendole di arrivare a l l ' i n g resso, avremo un gate A N O . Volete ve dere come funziona? Ve lo mostreremo fra un momento.
Un gate a d i od i , come qualsiasi altro ci rcu ito elettrico, fa uso di potenza ma non aggiunge alcuna potenza per compensare le perd ite. Così , se col l egass i m o u n o d i seg u ito a l l'altro m i g l iaia d i q u esti gate, c o m e richiesto i n u n g rande cal colatore, dovremo fo rn i re u n a potenza enorme al l ' i n g resso del primo gate per ottenere u n q ual che seg nale a l l ' uscita dell'ultimo gate. C i ò non è pratico. Così , i gate a d i o d i , p u r avendo vaste applicazi o n i n e i sistemi d i g ital i , non possono essere i m piegati da s o l i c o m e gate, ma van n o associati c o n dei c i rcu iti che forniscono potenza.
- 3 V
Figura 5.8
U n a ti pica sol uzione di q u esto problema consiste nel l 'elevare la potenza i n uscita del gate a d i o d i per mezzo d i u n transistore. La F i g u ra 5 . 8 c h iarisce q u esta so luzione. I n q u esto cso, ved iamo che i d i od i com p i o n o u n a funzione di AN O e costituiscono u n gate AN O . L'uscita d i q u esto gate va ad u n a m p l ificatore com muta-
tore a transistori , che agg i u nge potenza al seg nale, in q u anto ha un collegamento d i a l i mentazione e u no d i massa. Questo transistore com m utatore funziona, i noltre, d a invertito r e (gate NOT) . U n a tensione bassa, applicata a l l ' u n o o all 'altro deg l i i n g res si, richiama deg l i elettroni dal la base del transistore, mandando li in cond uzione per forn i re u n a tensione alta in uscita.
GATE NAN O
Figura 5.9
Q uando mettiamo i nsieme un gate ANO e un gate N OT, essi ven gono, di sol ito, considerati un solo b locco costitutivo, ossia un gate NAN O . I n F i g u ra 5 .9 è riportato il s i m bolo di un gate NAN O. Potete vedere dove ci abbia condotti q u esto rag iona mento. Abbiamo costru ito u n gate logico, che i m piega sia d i o d i che transistori . Questa logica a diodi e transistori è chiamata " DTL". Q uesti blocc h i costitutivi ven gono costruiti sotto forma di c i rcuiti i nteg rati per i modern i calcol atori e raramente fan n o ancora uso d i d ispositivi d i screti . D i scuteremo p i ù avanti sui c i rcu iti integ rati. Per ora, basta che comprendiate la funzione dei diodi nei c i rcu iti logici - è la stessa cosa che i d iodi siano contenuti in custodie o costru iti su u n c h i p di s i l icio i nsieme con m i g l iaia di altri d ispositivi. Le app l i cazioni dei diodi che abbiamo descritto rettificazione d i potenza, rivelazione, clam p i n g e log ica a diodi e transistori - am montano a ci rca i l 95% di tutti g l i i m p ieg h i d i d i od i . E tutte fan n o uso della prò prietà del d iodo che è quella di fu nzionare come u na valvola a senso u n ico.
Dopo aver esa m i n ato alcu n i usi del d iodo e averne capito le fu nzio n i , cerch ia mo d i i l l u strare come esso opera. U na volta comprese le proprietà fondamenta l i del d i odo, è fac i l e com prendere tutti gli altri semicond uttori - perchè i principi che stan no a l l a base del funzionamento del d i odo si applicano a tutti i dispositivi a stato sol i do.
QUALI SONO LE PROPR I ETA' DEl MATER IALI SEMI CON DUTTOR I CHE HANNO I M PO RTANZA N ELLA COSTR UZIO N E DEl DIODI?
Per prima cosa, dobbiamo consi derare le proprietà del materiale di base del d i odo, ossia d i u n cristallo d i si l i cio. Parl eremo del s i l icio perchè q u esto è, d i g ran l u nga, i l materiale sem i conduttore più usato, ma tenete presente che i l german io e tutti g l i altri materi a l i sem iconduttori seg uono g l i stessi pri n c i p i genera l i .
C o m e tutta l a materia, i l s i l i c i o è costitu ito da ato m i . Ai centro dell'atomo
di s i l icio, co m e i n d i cato in F i g u ra 5 . 1 0 vi è una massa concentrata chiamata " n u cleo".
Il nucleo contiene quattord ici partice l l e cari che di elettricità chiamate proton i , p i ù alcune particelle neutre c h e possiamo ignorare. R uotano i ntorno a q u esto n u-
eleo come picco l i satel l iti, q u attord ici altre particelle cariche di elettricità, chi amate "elettroni". Q uando d i ciamo " carica elettrica", vog l iamo sempli cemente d i re che u n protone e u n elettrone si attraggono l ' u n l'altro. D ue elettro n i , p e r contro, si respin gono l ' u n l'altro. Ancora, due proton i si respi ngono l ' u n l'altro. Q uesta legge fonda mentale si esprime così : Le particelle simili si respingono, le particelle dissimili si at traggono.
ATOMO DI SILICIO
Figura 5.10 14ELETTRONI
NEGATIVI
(-)
Le cariche d i u n p roto ne e d i u n elettrone non solo sono contrarie, ma sono an che u g u a l i . Ciò sign ifica che l'i nsieme di un p roto ne e d i un elettrone è elettricamen te neutro: cariche uguali e contrarie che si neutral izzano a vicenda. Così q u esta com b i n azione non attrae nè respinge alcun'altra particella. Conviene riferi rsi alla carica del protone e a l l a carica del l 'elettrone, la carica del protone viene detta "positiva" ( +) e la carica del l'elettrone viene detta "negativa" (-) , per esp ri mere i l fatto che q ueste due particelle sono u g u a l i e contrarie q uanto a effetti elettri c i . R icordando la Figura 5 . 1 O, ved iamo che d i eci deg l i elettroni s o n o i n d ue st rati (o l ivel l i ) vici n i al n ucleo - essi sono in "orb ite basse". Così , contando solo il nucleo e i d u e strati p i ù i ntern i , abbiamo d i ec i elettroni e q u attord ici proto n i , i l che ci dà una carica netta d i +4. N e l l o strato più esterno, abbiamo q uattro elettro n i , che dan no a quello strato u n a carica totale ( negativa) di +4. Così , i l -4 del lo strato più esterno compensa la carica +4 del nocciolo - cioè del nucleo e dei due strati più i nterni - la sciando l'atomo, nel suo complesso, elettricamente neutro.
Benchè l'atomo del s i l icio abbia quattro elettro n i nella sua orb ita esterna, esso ha q u e l l o che possiamo considerare come un "desiderio" di avere nella sua orbita esterna otto elettro n i . Q uesto desiderio è ciò che lega i nsieme i n u n cristal lo g l i ato mi di si l ici o. La F i g u ra 5 . 1 1 dà lo schema concettuale di u na tipica sezione di cristal lo di s i l i cio.
S i n oti che la tendenza i m pellente d i ogni atomo di s i l i cio a u n i rsi con altri atomi è stata soddisfatta g razie all'i ngeg n osa trovata d i cond ivi dere ogn u no dei suoi elet tro n i esterni con q u attro vici n i . Così , l'orbita esterna di ogni atomo, in realtà, si con catena co n le orbite esterne dei q u attro ato m i conti g u i .
Poi chè i l n u m ero totale dei p roto n i è ora uguale al n u mero totale deg l i el ettro n i , il crista l l o è elettricamente neutro. Come persone di c u i o g n i desiderio sia stato sodd isfatto, g l i atom i se ne stanno nel loro cristal lo, buoni e contenti.
Da u n pu nto d i vista elettrico, q u esto s i l i cio p u ro non ha nessu n valore. Esso è u n materiale isol ante, cioè u n cattivissimo conduttore d i elett ricità - perchè tutti g l i
Figura 5.1 1
elettro n i sono strettamente vincolati nelle loro orbite cond ivise. Q u esti elettro n i non possono scorrere portando corrente elettrica.
C O M E SONO FATTI l CR ISTALLI DI SILICIO UTILIZZATI PER l S E M I CON DUTTOR I?
C i ò che ci occorre per i l n ostro diodo non è i l crista l l o d i s i l icio puro visto i n Fi g u ra 5 . 1 1 . C i occo rre u n crista l l o con qualche elettrone i n p i ù o q ual che posto i n più dove gli elettroni possono andare. Così , mentre i l si l i cio è ancora allo stato fuso, g l i agg i u ngiamo i ntenzional mente certe i m p u rità. Questo processo viene chiamato " d rogagg io". Se, per esempio, mescol iamo l'elemento fosforo con il s i l i cio, otten i a
mo u n materiale cristal lo del tipo N . Se usiamo del boro, otteniamo u n materiale del t i po P. Q u esti ato m i d i d rogaggio ri mpiazzano alcu n i deg l i ato m i di s i l icio nel reti co lo c rista l l i no.
Pren d i amo per primo i l tipo N . Un crista l l o d rogato con del fosforo ha deg l i atom i d i fosforo sparsi nel s u o reticolo. Essi occ u pano d e i posti normal mente occu pati da ato m i di s i l icio. O ra, un atomo di fosfo ro è molto s i m i l e a un atomo di si l i cio, solo che esso ha u n protone i n p i ù nel suo nocciolo e u n q u i nto elettrone nella sua orb ita esterna. Ma dove può andare q u esto q u i nto elettrone solita rio? T utti g l i strati i ntern i del l'atomo di s i l icio sono riempiti con la loro q u ota di otto elettro n i condivisi. T utti gli altri ato m i d i fosforo han no lo stesso p roblema d i u n elettrone i n più, per c u i , certamente, non ne accetteranno u n altro. Tutto ciò c h e g l i elettron i l i beri possono fare è d i errare fra gli ato m i cercando delle orbite non riempite. N on vi rattristate, pe rò, per la loro diffici le situaz ione, perchè, ben presto, troveremo modo d i occ u ppare i l loro tem po.
" D rogando" i l materiale g rezzo d i s i l icio con del fosfo ro, abbiamo creato u n cristal lo d i s i l icio capace d i condu rre l'elettricità. Real izziamo u n generatore con u n cond uttore attaccato a d u n estremo del cristallo d i tipo N e u n altro cond uttore uscente dall'altro capo del cristallo stesso. Pompiamo elettro n i da u n a parte del cristallo. O ra, ricordiamo che le particelle s i m i l i si respingono l'una con l'altra. così , per ogni elettrone i m messo, u no deg l i elettro n i l i beri proven ienti dag l i atom i d i fosforo m i g ra all'altro capo d e i crista l l i e d esce per filo.
Cosa su ccede q uando usiamo u n crista l l o che è stato d rogato con più fosfo ro? Q uanto p i ù è il fosforo, tanti p i ù elettroni l i beri abbiamo nel crista l l o; q uanti p i ù elet troni l i beri abbiamo, tanti p i ù elettro n i entranti possiamo accog liere. I l n u mero d i elettron i nel cristallo rimane costante; u n elettrone s e ne v a per og n u no c h e viene i m m esso. M o ltipl icate ciò che abbiamo visto accadere a u n u n ico elettrone per tri I ioni d i volte e avrete il concetto d i come l'elettricità scorra i n u n sem icond uttore del t i po N .
COM'E' FATTO U N CRISTALLO D I S I L I C I O D I TIPO P?
Per creare dei crista l l i di s i l icio del tipo P, " d rog h i amo" il materi ale fuso con deg l i atom i d i boro, per ri m p i azzare alcuni deg l i ato m i d i s i l i cio nel reticolo del cristal lo. Un atomo di boro ha solo tre elettro n i nel suo strato estern o. 1 nvece di donare un elettrone l i bero in più come faceva il fosfo ro, l'atomo di boro crea una carenza di un elettrone i n q u esta struttu ra. Chiam iamo q u esta carenza " lacuna". Proprio come gli elettroni l i beri possono andare errando, così queste lac u ne possono anch'esse errare attraverso i l reticolo, perchè g l i elettro n i conten uti nello strato esterno deg l i ato m i d i s i l i cio trovano molto fac i l e spostarsi e riem p i re u na di queste lacune. Evidentemente, una lacuna non è u n'entità fisica come u n elettrone, ma, q uando u n elettrone si sposta da u n posto a l l'altro, è proprio come se la l ac u na verso c u i esso si è mosso, si fosse spostata nel la d i rezione opposta. U n a lacu na rap
presenta sem pre u na carica positiva (+ 1 ), dopo aver lasciato l'atomo di boro. Così ,
la lac u n a p u ò esser considerata u na carica positiva c h e si sposta l i beramente. COME CONDUCE ELETTR I CITA' I L SILICIO D I TIPO P?
Come abbiamo fatto con il crista l l o di s i l icio del tipo N, supponiamo di co l lega re u n crista l l o d i s i l icio del tipo P ad u n generatore con dei fi l i uscenti da o g n u n o dei due capi del c rista l l o . Pompiamo fuori u n elettro ne vi ncolato. Adesso, abbiamo u na n u ova lacuna con una carica positiva. R i cord iamo che le cari che s i m i l i si res p i ngo no. Così la n u ova lac u n a respinge una vecchia lacuna fino all'altro estremo del cri stallo. A q u esto estremo, un altro elettrone viene dentro e la lacuna viene riempita. Così g l i elettroni v i n colati si m u ovono i n un senso, per mezzo d i lacune che si muo vo no nell'altro senso.
Come avviene nel caso del tipo N, q uando " d rogh iamo" i l silicio più fo rtemente con ato m i d i boro, per renderlo del tipo P, accresciamo la sua capacità d i portar cor rente. Ciò avviene perchè og n i atomo d i boro crea u na lacuna e, q uante p i ù lacune abbiamo, ta nti p i ù elettro n i esse possono accog l iere e tanta p i ù corrente i l cristallo può portare. E, ancora u n a volta, se molti plich iamo q uesto processo tri i i o n i d i volte possiamo visual izzare come l'elettricità venga condotta dal movi mento del le lac u ne nei sem icond uttori del tipo P .
R icord iamo questo i m portantiss i m o fatto: i l tipo P co n d u ce elettricità solo per mezzo di lacune e non ha, pra ticamente, nessun elettrone libero. I l tipo N conduce solo per mezzo d i elettroni l i beri; esso non ha praticamen te, nessuna lacuna .
V i è probab i l m ente evi dente, ora, che i l tipo " N " sta per "negativo" , a causa dei suoi elettroni l i beri carichi neg&tivamente e che i l tipo "P" sta per " positivo", a causa delle sue l acune cariche pos itivam ente.
COME CO N D U C O N O L'ELETTR I CITA' l D I O D I ?
Adesso che sappiamo c o m e l'elettricità v i e n e co ndotta n e l si l ici o d i t i po N e di tipo P, siamo pronti a vedere come queste proprietà vengono util izzate nei diodi per portare elettricità i n u n a d i rezione e b loccarla nell'altra.
La F ig u ra 5 . 1 2 m ostra com'è costru ito un d iodo. Dei term i n a l i son o connessi ai due estremi in un m i n uscolo c h i p di s i l i c i o trattato in modo da essere del t i po N da