Senza di essa non esisterebbero i computer, gli smartphone e le onde radio. I semiconduttori sono il motore nascosto della società moderna. Si trovano nel cuore del microprocessore e controllano tutti i transistor del dispositivo. Quando le macchine calcolano o trasmettono segnali, fanno affidamento su questi materiali per funzionare.
La maggior parte dei chip che vedete oggi sono realizzati in silicio. Ecco perché termini come “Silicon Valley” dominano le notizie economiche. Quest’area non prende il nome da una startup tecnologica. Prende il nome dalla sua fonte di energia. Il silicio è il fondamento dell’industria elettronica. Senza di essa non ci sarebbe una “economia del silicio”.
Comprendere le nozioni di base sui diodi
Per capire come funzionano i semiconduttori bisogna partire da qualcosa di semplice. Un diodo è il dispositivo a semiconduttore più semplice. Questo è un ottimo punto di partenza per imparare le basi. In questa guida daremo uno sguardo più da vicino a cosa sono esattamente i semiconduttori. Scopri come il drogaggio modifica le proprietà di un materiale. Esaminiamo anche come gli ingegneri utilizzano questi principi per creare diodi.
Ma prima di dare un’occhiata più da vicino al funzionamento dei diodi, dobbiamo dare un’occhiata più da vicino al materiale stesso. silicio.
Abbondanza di silicio
Il silicio non è raro. È ovunque. Se hai mai camminato su una spiaggia o guardato in un cristallo, l’hai visto. La sabbia e il quarzo sono costituiti principalmente da silicio.
Il silicio occupa un posto speciale nella tavola periodica degli elementi. È vicino all’alluminio. Si trova sotto il carbonio. Si trova sopra il germanio. Questa posizione nella gerarchia elementare conferisce al silicio le sue proprietà elettriche uniche. Capire il suo posto sul tavolo aiuta a spiegare perché è diventato un materiale di base nell’elettronica.
Fondamento reticolare dei semiconduttori
Carbonio, silicio e germanio hanno tutti proprietà speciali nella loro configurazione elettronica. Ogni elemento ha 4 elettroni nella sua orbita esterna. Questo non è solo un piccolo dettaglio. La capacità di formare strutture ripetitive stabili guida la loro capacità di formare strutture stabili e ripetitive.
Questi quattro elettroni di valenza sono legati covalentemente a quattro atomi vicini. Il risultato è una griglia rigida. Pensatela come una rete molecolare. La struttura viene preservata perché ogni legame è soddisfatto.
Nel carbonio, questo reticolo assomiglia ad un diamante. Difficile. Trasparente. Prezioso.
Il silicio prende una svolta visiva diversa. La sua forma cristallina sembra metallica. Ha una lucentezza argentata. Tuttavia, a differenza del rame o del ferro, è un semiconduttore. Sotto questo aspetto il germanio si comporta in modo simile al silicio. Si trova nello stesso gruppo nella tavola periodica. Ha anche quei quattro elettroni esterni. A causa di questa caratteristica comune, questi due materiali sono la spina dorsale dell’elettronica moderna.
La configurazione a quattro elettroni è la chiave. Ora è possibile il legame covalente e si forma una struttura reticolare completa.
Questo reticolo non è solo carino. È pratico. Determina il modo in cui questi materiali conducono l’elettricità. Senza questa speciale configurazione di quattro elettroni, la struttura cristallina può collassare o comportarsi in modi imprevedibili. Questa stabilità ha reso il silicio lo standard per i chip dei computer.
I metalli conducono l’elettricità attraverso gli elettroni liberi. Saltano facilmente tra gli atomi. Il silicio sembra metallo. Brilla. riflette la luce. Ma non è l’unico.
In un cristallo di silicio puro, tutti gli elettroni esterni sono chiusi in legami covalenti completi. non possono muoversi. risultato? Isolamento quasi perfetto. Traffico zero.
non più.
Il piidoping cambia tutto
Non modifica la struttura del silicio. Tu cambi la chimica. Contiene impurità.
Questo processo è chiamato doping. Trasforma un isolante in un semiconduttore. È un direttore d’orchestra, ma non un grande direttore d’orchestra. Questo andrà bene.
Esistono due modi per aggiungere il silicio. Sono di tipo N e di tipo P.
Doping di tipo N: elettroni liberi
Il drogaggio di tipo N utilizza elementi con cinque elettroni esterni. Lin. arsenico.
Esistono quattro tipi di silicio.
Quando il fosforo entra nel reticolo cristallino, quattro elettroni si legano insieme. E’ il quinto? Non ho un partner. Galleggia liberamente.
Anche una piccola quantità di elettroni può produrre abbastanza elettroni liberi per condurre l’elettricità. Gli elettroni hanno carica negativa. Quindi è di tipo N.
Doping di tipo P: crea un divario.
Il doping di tipo P ribalta il copione. Usa boro o gallio.
Questi elementi hanno solo tre elettroni esterni.
Quando si inseriscono nella gabbia di silicio, rimangono degli spazi vuoti. “buco”.
Gli elettroni provenienti da un vicino scivolano dentro e lo riempiono. Il buco si sta muovendo. Funziona come una carica positiva. Quindi è un tipo P.
Piccole quantità di entrambi gli additivi trasformano il silicio da un isolante a un conduttore utilizzabile.
Bivio: dove avviene la magia
Vuoi distinguere tra silicio di tipo N e di tipo P? Noioso.
Per favore combinali.
All’incrocio è successa una cosa divertente. Questo è il cuore del diodo.
Un diodo è il dispositivo a semiconduttore più semplice. Consente alla corrente di fluire in una direzione. C’è solo una cosa.
Pensa al tornello di uno stadio. Una volta che una persona percorre un sentiero, non può ritornare sullo stesso sentiero. Un diodo è un flip gate elettronico unidirezionale.
La combinazione del silicio di tipo N e di tipo P crea una barriera. L’elettricità scorre facilmente in una direzione. Blocca completamente l’altro.
Questo comportamento unico non è solo teorico. È la base dell’elettronica moderna. Niente funziona senza questo incrocio.
Il silicio drogato con fosforo crea uno strato di tipo N. Il silicio drogato con boro crea uno strato di tipo P. Entrambi i materiali conducono l’elettricità da soli. Mettili insieme nella configurazione mostrata nel diagramma e non succede nulla. Il circuito è morto.
Il motivo sta nel modo in cui colleghi la fonte di alimentazione. Se colleghi la batteria in modo che il terminale negativo sia rivolto verso il lato di tipo N, gli elettroni verranno allontanati dalla giunzione. Allo stesso tempo, il terminale positivo allontana i fori sul lato di tipo P dal centro. Si muovono in direzioni opposte, allontanandosi l’uno dall’altro. Nessuna corrente attraversa il divario. Il diodo blocca il flusso.
Inversione della polarità
Capovolgi la batteria. Ora la configurazione cambia completamente.
Il terminale negativo respinge gli elettroni liberi nel silicio di tipo N, spingendoli verso la giunzione. Il terminale positivo respinge i fori nel silicio di tipo P, spingendoli verso lo stesso punto d’incontro. Si scontrano. Gli elettroni riempiono i buchi. Si annullano a vicenda.
Questo non è più un blocco statico. È un flusso dinamico. Man mano che gli elettroni riempiono i buchi alla giunzione, nuovi buchi ed elettroni vengono generati sui bordi esterni per sostituirli. La corrente scorre attraverso la giunzione. Il diodo consente il passaggio dell’elettricità.
Diodi e transistor
Questo comportamento direzionale è la meccanica fondamentale dietro il modo in cui controlliamo la potenza nell’elettronica. La sezione successiva esplora come questa proprietà specifica consenta l’uso diffuso di diodi e transistor nei dispositivi moderni.
Come funzionano davvero i diodi nel tuo gadget
Un diodo è fondamentalmente un canale di elettricità a senso unico. Blocca il flusso di elettricità in una direzione e gli consente di fluire nella direzione opposta. Se ti è mai capitato di inserire una batteria in un telecomando e questa non ha funzionato a causa della polarità sbagliata, probabilmente il diodo è il motivo per cui non ha preso fuoco. Funziona come un dispositivo di sicurezza. Quando la batteria è posizionata al contrario, i diodi impediscono il consumo di corrente dalla batteria e proteggono i sensibili componenti elettronici interni da eventuali danni.
Idealmente, un diodo con polarizzazione inversa dovrebbe bloccare tutta la corrente. In realtà, non è perfetto. Un vero diodo può perdere circa 10 microampere. Nella maggior parte delle applicazioni questo può essere ignorato, ma è presente. Se alla giunzione viene applicata una tensione inversa sufficiente (V), questa eventualmente si romperà e consentirà il flusso di corrente. Questa tensione di rottura è in genere così elevata che i circuiti standard non la raggiungeranno mai, quindi può essere sostanzialmente ignorata nell’uso quotidiano.
Le cose diventano interessanti quando hai una propensione al futuro. Un diodo richiede una certa tensione per funzionare. Per i diodi al silicio questa soglia è di circa 0,7 volt. Questo salto di tensione avvia il processo di combinazione lacuna-elettrone alla giunzione. Questo è un piccolo ostacolo, ma importante per il corretto funzionamento del dispositivo.
Transistor: l’interruttore della natura
I transistor furono il passo logico successivo nello sviluppo dei semiconduttori. I diodi utilizzano due strati di materiale, mentre i transistor utilizzano tre strati. Possono essere costruite come strutture sandwich NPN o PNP. Grazie a questa struttura, il transistor può fungere sia da interruttore che da amplificatore.
Visivamente, un transistor assomiglia a due diodi posti in opposizione. Se ci pensi, questa configurazione dovrebbe bloccare la corrente in entrambe le direzioni. Tecnicamente sì. Ma ecco il trucco. Quando si fa passare una piccola corrente elettrica attraverso lo strato intermedio di un sandwich, accade qualcosa di magico. Correnti più grandi possono fluire in tutta la struttura.
Questo è il comportamento di commutazione che alimenta l’informatica moderna. Una piccola corrente può accendere o spegnere una grande corrente. Non è magia, è solo fisica perfezionata in scienza.
Dal silicio al microprocessore
Un chip di silicio è semplicemente un pezzo di silicio che contiene migliaia o addirittura milioni di transistor. Posizionando un transistor come interruttore si crea una porta booleana. Il collegamento di queste porte crea un circuito logico. Collegane abbastanza e otterrai un microprocessore.
La transizione dal silicio puro al silicio drogato, ai transistor e infine ai chip complessi, ha reso i computer molto economici e accessibili a tutti. Il principio di base è sorprendentemente semplice. La vera meraviglia è come li abbiamo perfezionati. Ora possiamo formare decine di milioni di transistor su un singolo chip senza spendere molti soldi.
Domande frequenti sui semiconduttori
**Il silicio è un semiconduttore? **
SÌ. La maggior parte dei chip e dei transistor semiconduttori sono realizzati in silicio. È la materia prima preferita perché la sua struttura è stabile e prevedibile.
**A cosa servono i semiconduttori? **
Sono la spina dorsale dei dispositivi elettronici. I semiconduttori sono utilizzati in chip, diodi, transistor e circuiti integrati. Tutto ciò che è computerizzato o basato sulle onde radio dipende da questa classe di materiali.
Quali elementi vengono utilizzati nei semiconduttori?
Puoi iniziare con elementi puri come silicio, carbonio e germanio. Oppure puoi mescolarvi delle impurità. L’aggiunta di fosforo o arsenico produce un drogaggio di tipo N. L’aggiunta di boro o gallio crea un drogaggio di tipo P. Questa procedura cambia il modo in cui il materiale conduce l’elettricità.
**Qual è la definizione di semiconduttore? **
La conduttività elettrica dei semiconduttori è intermedia tra i conduttori (come i metalli) e i non conduttori (come la maggior parte delle ceramiche). Non sono né completamente isolanti né completamente conduttivi. Esistono nel dominio intermedio di controllo.
**Chi sono le più grandi aziende di semiconduttori? **
Le dinamiche del mercato stanno cambiando, ma storicamente i giganti hanno governato. Secondo i dati del 2020, i principali concorrenti sono TSMC con un fatturato di circa 45,4 miliardi di dollari, Samsung con un fatturato di circa 52,2 miliardi di dollari e Intel, che è il numero uno con 73,9 miliardi di dollari. Le cose sono cambiate, ma la domanda di questi chip non fa che aumentare.
