Minimalist City

Esistono applicazioni tecnologiche importanti ma sconosciute? Sì. Una di queste è la giunzione p-n: la maggior parte delle persone con ogni probabilità non l'ha mai sentita nominare, eppure è alla base dei dispositivi a semiconduttori come: i led, i diodi a giunzione, i transistor, i pannelli fotovoltaici.

Vediamo di capire che cos'è una giunzione p-n, come funziona e perché è fondamentale nelle nostre vite.
Una giunzione p-n non è altro che la superficie di contatto fra un semiconduttore di tipo p e un semiconduttore di tipo n. Il primo è un semiconduttore drogato con atomi di boro per apportare un eccesso di lacune (cariche positive) mentre il secondo è drogato con atomi di fosforo per apportare un eccesso di elettroni (cariche negative). Attenzione perché i due semiconduttori sono elettricamente neutri: il drogaggio non comporta l'introduzione o la creazione di specie ioniche, e cioè elettricamente cariche. Il fosforo possiede un elettrone in più nella banda di valenza rispetto al silicio, il semiconduttore per eccellenza, il boro uno in meno. Quindi il fosforo può donare elettroni e il boro accettarli. Ma sono entrambi atomi allo stato fondamentale e non carichi elettricamente.
Quando si pongono a contatto lo strato p e lo strato n si ottiene, come abbiamo detto, una giunzione. E si verifica un fenomeno molto bizzarro. Una parte delle lacune in eccesso presenti nello strato p inizieranno a migrare verso lo strato n. Viceversa, una parte degli elettroni in eccesso nello strato n inizieranno a migrare verso lo strato p. In realtà, il moto delle lacune è solo apparente: essendo esse niente altro che "assenza di elettroni" non sono vere cariche positive che si spostano. Tuttavia, per convenzione, vengono considerate come particelle fittizie cariche positivamente che si spostano al pari degli elettroni. Lo spostamento di elettroni e lacune finisce per ionizzare i due materiali: avremo cariche negative nel materiale p perché è qui che sono migrati gli elettroni, viceversa avremo ioni positivi nel materiale n perché è qui che sono approdate le lacune.
Sia i cationi che gli anioni si accumulano in una regione prossima alla giunzione p-n, detta zona di svuotamento o deplezione. Il motivo per cui si chiama così è che viene svuotata da elettroni e lacune in grado di migrare ulteriormente. La regione di svuotamento è speciale: contiene un campo elettrico. Ovviamente, le linee del campo vanno dalle cariche positive a quelle negative.
Tale campo, detto di built in, si instaura nel momento stesso in cui si formano le cariche elettriche nei materiali. Man mano che il numero di cariche elettriche nei materiali aumenta l'intensità del campo cresce fino al punto da opporsi al passaggio di ulteriori lacune ed elettroni.
Si raggiunge così un equilibrio che mantiene stabile la zona di deplezione e impedisce il passaggio di ulteriori portatori di carica. Nessuna lacuna può andare verso destra perché verrebbe respinta indietro dalle linee del campo, nessun elettrone può andare verso sinistra perché verrebbe attratto e riportato indietro dalle linee del campo.
Tale equilibrio può essere infranto applicando una tensione ai capi dei due materiali.

Se colleghiamo il morsetto positivo del nostro generatore al materiale p e quello negativo al materiale n, quello che si ottiene è che si applica un campo elettrico di verso opposto a quello di built in. Ciò permette nuovamente ad ulteriori elettroni di muoversi verso sinistra e ad ulteriori lacune lacune di muoversi verso destra.
Se invece connettiamo il negativo del nostro generatore al materiale p e il positivo al materiale n, ciò che otteniamo è applicare un campo elettrico di verso concorde al campo di built in e andremo ad amplificarlo.

E quindi, in questo caso, la zona di svuotamento diventa una barriera assolutamente invalicabile, un dielettrico, e la corrente nel circuito sarà uguale a zero.

Il primo caso descrive il comportamento dei diodi a giunzione, che vengono utilizzati per permettere il passaggio di corrente in una sola direzione. Un'applicazione non da poco, considerando che un conduttore permette il passaggio di correnti in entrambi i versi e non sempre questa è una caratteristica desiderabile, a seconda dei nostri scopi.

In generale, grazie alla giunzione p-n, il transistor può funzionare in

• interdizione,
• in saturazione
• e attivo.

Nel funzionamento in interdizione, il transistor è spento e non permette il passaggio di corrente tra collettore ed emettitore. Nel funzionamento in saturazione, il transistor è acceso e permette il passaggio di corrente tra collettore ed emettitore. Nel funzionamento attivo, il transistor può controllare il flusso di corrente tra collettore ed emettitore in base alla polarizzazione della base. I transistor sono ampiamente utilizzati e sono alla base dell'elettronica moderna.

Ti lascio con un frase di Julius Edgar Lilienfeld: "Il transistor rappresenta la realizzazione di un sogno degli scienziati: un dispositivo di controllo dell'elettricità su scala atomica".

Si ringrazia il Dott. Luigi Rescigno per il supporto scientifico.