Transistor a Giunzione Bipolare e Semiconduttori
I semiconduttori sono materiali organici o inorganici che possono modificare la loro conduttività in base alla struttura chimica, alla temperatura, all’illuminazione e alla presenza di droganti. Questi materiali possiedono una conduttività elettrica intermedia tra un metallo, come il rame o l’oro, e un isolante, come il vetro. Hanno un gap energetico inferiore a 4eV (circa 1eV). Nella fisica dello stato solido, questo gap energetico o band gap è una gamma di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione, dove gli stati degli elettroni sono proibiti. A differenza dei conduttori, gli elettroni dei semiconduttori devono acquisire energia (ad esempio, dalla radiazione ionizzante) per attraversare il band gap e raggiungere la banda di conduzione.
Il Transistor a Giunzione Bipolare (BJT)
Un transistor a giunzione bipolare (BJT) è un dispositivo elettronico a tre terminali che può amplificare o commutare segnali elettronici. È realizzato unendo tre strati di materiale semiconduttore: uno strato di tipo n, uno di tipo p e un altro di tipo n (per un transistor NPN) o di tipo p (per un transistor PNP). Le tre regioni del BJT sono denominate emettitore, base e collettore. La base, situata tra l’emettitore e il collettore, è molto sottile per consentire un facile flusso dei portatori di carica dall’emettitore al collettore. Il BJT funziona controllando il flusso di portatori di carica (elettroni o lacune) dall’emettitore al collettore mediante una piccola corrente alla base. Quando una piccola corrente viene applicata alla base, modifica la tensione attraverso la giunzione base-emettitore, permettendo così una corrente maggiore di fluire dall’emettitore al collettore. I BJTs possono essere utilizzati come amplificatori o interruttori, a seconda di come sono configurati in un circuito.
Tipi di Semiconduttori
I semiconduttori possono essere classificati in due tipi fondamentali in base alle loro proprietà elettroniche:
Semiconduttori Intrinseci
Questi sono semiconduttori puri composti da un singolo elemento (ad esempio, Silicio, Germanio) e non sono intenzionalmente dopati con impurità. I semiconduttori intrinseci conducono elettricità quando sono riscaldati e alcuni elettroni acquisiscono energia sufficiente per liberarsi dai loro legami e diventare elettroni liberi nella banda di conduzione.
Semiconduttori Estrinseci
Questi sono semiconduttori impuri, intenzionalmente dopati con impurità per modificare le loro proprietà elettroniche. I semiconduttori estrinseci possono essere ulteriormente classificati in:
p-type: In questi semiconduttori, atomi di impurità come il boro vengono introdotti nel materiale semiconduttore. Queste impurità hanno meno elettroni di valenza rispetto al materiale semiconduttore, creando così
“lacune” (assenza di elettroni) nella banda di valenza. Queste lacune possono condurre corrente come portatori di carica positivi, conferendo al materiale la designazione di tipo p.
n-type: In questi semiconduttori, atomi di impurità come il fosforo vengono introdotti nel materiale semiconduttore. Queste impurità hanno più elettroni di valenza rispetto al materiale semiconduttore, creando così elettroni in eccesso nella banda di conduzione. Questi elettroni in eccesso possono condurre corrente come portatori di carica negativi, conferendo al materiale la designazione di tipo n.
Caratteristiche dei Semiconduttori
Ecco una tabella con 3 semiconduttori intrinseci e 2 semiconduttori di tipo p e n, insieme a 4 proprietà chiave:
| Semiconduttore | Tipo | Band Gap (eV) | Mobilità Elettronica (cm2/V s) | Mobilità dei Fori (cm2/V s) | Conduttività Termica (W/m K) |
|---|---|---|---|---|---|
| Silicio (Si) | Intrinseco | 1.12 | 1500 | 450 | 150 |
| Germanio (Ge) | Intrinseco | 0.67 | 3900 | 1900 | 60 |
| Arseniuro di Gallio (GaAs) | Intrinseco | 1.43 | 8500 | 400 | 46 |
| Silicio drogato con Boro (p-Si) | p-type | 1.12 | 1500 | 1800 | 150 |
| Silicio drogato con Fosforo (n-Si) | n-type | 1.12 | 1500 | 4500 | 150 |
| Arseniuro di Gallio drogato con Alluminio (p-GaAs) | p-type | 1.43 | 8500 | 200 | 46 |
| Arseniuro di Gallio drogato con Silicio (n-GaAs) | n-type | 1.43 | 8500 | 800 | 46 |
Questi dati illustrano le differenze fondamentali nelle proprietà dei diversi tipi di semiconduttori, che influenzano le loro applicazioni in vari dispositivi elettronici.
Applicazioni dei Semiconduttori
I semiconduttori, e in particolare i BJTs, trovano impiego in una vasta gamma di applicazioni elettroniche. Nei circuiti amplificatori, un piccolo segnale di ingresso applicato alla base del BJT viene amplificato in un segnale di uscita più grande al collettore. In circuiti di commutazione, il BJT funziona come un interruttore, completamente acceso o spento a seconda della tensione applicata alla base.
Queste caratteristiche rendono i BJTs scelte popolari in applicazioni quali amplificatori audio, ricevitori radio e circuiti di logica digitale. Sono particolarmente vantaggiosi in applicazioni a bassa tensione e bassa potenza, dove il loro alto guadagno di corrente e la velocità di commutazione sono fondamentali.
Conclusione
La comprensione dei semiconduttori e dei dispositivi basati su di essi, come i BJTs, è cruciale per lo sviluppo e l’avanzamento della tecnologia elettronica moderna. La loro capacità di controllare e manipolare i flussi di corrente ha rivoluzionato il campo dell’elettronica, rendendo possibile la vasta gamma di dispositivi e sistemi che oggi diamo per scontati.
