L’elettronica è indubbiamente il settore della scienza che negli ultimi decenni ha avuto il più rapido sviluppo. Ad essa sono dovute le più strabilianti innovazioni che hanno totalmente rivoluzionato la vita dell’uomo. I circuiti elettronici, infatti, governano il funzionamento di numerosi dispositivi di cui quotidianamente si fa uso: calcolatori, sistemi di telecomunicazione, elettrodomestici, automobili, giocattoli e sistemi più complessi come satelliti, strumenti per il pilotaggio, controllo del traffico aereo, etc.

L’elemento fondamentale di cui sono costituiti i circuiti elettronici è il silicio. Esso costituisce il della crosta terrestre ed è il più abbondante dopo l’ossigeno. Il silicio è contenuto nelle rocce, nella sabbia e nel terreno, in combinazione con ossigeno e metalli.

Dal punto di vista elettrico il silicio è, insieme al germanio, boro etc., un semiconduttore, cioè un elemento con una resistività intermedia tra quella dei conduttori e degli isolanti. Una caratteristica fondamentale distingue i semiconduttori dai conduttori: la loro resistività diminuisce con l’aumento della temperatura, mentre per i conduttori cresce. Questo singolare comportamento nasce dal particolare legame chimico che tiene unita una coppia di atomi di un semiconduttore: legame covalente. Il legame consiste nel mettere in comune una coppia di elettroni, uno per ciascun atomo che entra nel legame. A bassa temperatura in un cristallo di silicio puro, tutti gli elettroni sono legati agli atomi. Un atomo di silicio ha elettroni, quelli più interni ruotano intorno al nucleo, mentre i quattro più esterni rimbalzano tra due atomi vicini mantenendo il legame tra loro; in queste condizioni il silicio è un ottimo isolante. Aumentando la temperatura del cristallo, qualche elettrone di legame, cioè quelli in comune, si stacca dalla coppia di atomi e si mette a vagare attraverso il reticolo cristallino. Più si riscalda il semiconduttore e più aumenta il numero degli elettroni liberi, cosicché la sua resistività diminuisce, cioè diventa conduttore. C’è poi la possibilità di aumentare ulteriormente la conducibilità dei semiconduttori, consistente nel drogarli, cioè nell’introdurre delle impurezze, rappresentate da arsenio e antimonio oppure boro, indio e gallio.

Per comprendere l’effetto prodotto dalle impurezze è necessario ricordare che il silicio è tetravalente, cioè ha quattro elettroni di valenza, mentre arsenio e antimonio sono pentavalenti, boro, indio e gallio sono trivalenti. Se si aggiungono, quindi, atomi di arsenio o antimonio al silicio, quattro elettroni di questi si legano ai quattro elettroni di valenza dell’atomo di silicio, originando il legame covalente. Il quinto elettrone dell’impurità resta libero, dando origine a conduzione elettrica. Poiché tale conduzione avviene per movimento di cariche negative, il semiconduttore è classificato di Tipo n. Vediamo ora cosa accade se si aggiungono al silicio atomi di boro, indio o gallio, che hanno solo tre elettroni di valenza. In tal caso solo tre elettroni del silicio si legano ai tre elettroni dell’impurità. Il quarto elettrone di valenza del silicio è libero, originando una cosiddetta lacuna. La conduzione avviene, in questo caso, per lacune e poiché esse si comportano come portatrici di cariche positive, il semiconduttore è classificato di Tipo p.

I semiconduttori vengono impiegati per la costruzione dei diodi a cristallo e dei transistori, dei quali diamo qualche cenno.

Giunzione

Alla base del comportamento elettrico sia del diodo che del transistore c’è la cosiddetta giunzione. In elettronica è così chiamato il contatto intimo creato artificialmente fra un metallo e un semiconduttore o fra due o più semiconduttori. Esaminiamo più in dettaglio il fenomeno che avviene in un importante tipo di giunzione: p - n.

Essa è la zona intermedia, di intimo contatto, fra un semiconduttore di Tipo n e un semiconduttore di Tipo p, fig. 1.9.

Nel semiconduttore di Tipo n i portatori di cariche sono gli elettroni, mentre in quello Tipo p sono le lacune, che si possono pensare come cariche positive. Attraverso la superficie di contatto alcuni elettroni passano dal cristallo al cristallo p, mentre alcune lacune si spostano in senso contrario. Il semiconduttore di Tipo n acquista una debole carica positiva, mentre quello di Tipo p diventa leggermente negativo. A causa della forza di attrazione, le cariche mobili di segno diverso tendono a disporsi nelle vicinanze della superficie di contatto, ma da parti opposte. In uno strato molto sottile, di spessore minore di un millimetro, a cavallo della zona di confine, si genera pertanto un campo elettrico, diretto da a p che impedisce ogni ulteriore diffusione nei due sensi dei portatori di carica. La giunzione si comporta, cioè, come uno strato ai lati del quale vi è una differenza di potenziale, fig. 2.9; quando nuove cariche tendono a fluire da a p il passaggio è impedito poiché gli elettroni vengono respinti dagli ioni di p. Lo stesso accade per le lacune.

Fig. 2.9 Differenza di potenziale attraverso la giunzione

Affinché si abbia un flusso di corrente attraverso la giunzione, occorre creare un campo elettrico che vinca la barriere di potenziale; questo si ottiene connettendo la giunzione con un generatore di tensione, collegando il semiconduttore p al polo positivo ed il semiconduttore al polo negativo. Il tipo di collegamento citato si chiama polarizzazione diretta. Se il collegamento tra giunzione e generatore avviene in senso inverso a quanto appena descritto viene detto polarizzazione negativa, la barriera di potenziale si rafforza ed è impedito il passaggio di corrente.

Diodo

Il diodo è un dispositivo elettronico costituito da una giunzione p - n. Esso ha in sostanza la funzione di un interruttore, che viene pilotato da una differenza di potenziale. infatti, in base a quanto precedentemente detto, la giunzione p - n è un dispositivo a senso unico, perché consente il passaggio della corrente in un senso, dal cristallo p al cristallo , e lo impedisce nel senso contrario.

Nella fig. 3.9 sono riportati i simboli elettrici dei due tipi di transistori. Come può notarsi, ciascuna zona ha una sua funzione:

   l’emettitore, di fornire le cariche elettriche;
    la base, di accelerare e controllare le cariche;
    il collettore, di raccogliere le cariche.

Senza ulteriore approfondimenti sul loro funzionamento, notiamo che la differenza tra i due tipi di transistori riguarda esclusivamente la polarità e, quindi, il senso di circolazione della corrente che sono opposti.

Circuiti integrati

In questi ultimi decenni l’elettronica si è straordinariamente evoluta sotto due aspetti diversi, che possono apparire a prima vista contrastanti.

Da un lato, i componenti elettronici sono diventati sempre più complessi e raffinati. Essi hanno consentito di progettare e costruire circuiti estremamente complicati che possono assolvere funzioni concettualmente sempre più elaborate.

Dall’altro lato, le dimensioni dei componenti e dei corrispondenti circuiti, nonché le potenze elettriche coinvolte nel loro funzionamento, sono diminuite di diversi ordini di grandezza. Dal 1948, anno in cui è stato inventato il primo transistore, al 1980 il volume di alcune apparecchiature elettroniche si è ridotto di un fattore un milione.

L’elemento che ha reso possibile questo rapido processo di miniaturizzazione è stato il circuito integrato, fig. 4.9, il cui processo di evoluzione è iniziato verso la fine degli anni cinquanta. Fino ad allora i componenti elettronici, resistori, condensatori, transistori, diodi, etc., venivano fabbricati separatamente con materiali diversi e successivamente assemblati.

Con l’avvento dell’integrazione tutti gli elementi di un circuito, compresi i collegamenti, sono costruiti direttamente su un’unica piastrina di silicio. La costruzione di un circuito integrato inizia da una barra di silicio puro, ricavata con opportuno processo di fabbricazione e di opportuno diametro, , da cui si ottengono, per taglio, fette molto sottili, decimi di millimetro, chiamate wafer. Esse sono la base su cui si realizzano i chip, fig. 5.9, cioè piastrine delle dimensioni di un francobollo, su cui sono incisi microscopici circuiti che contengono milioni di componenti elettronici.

La costruzione dei circuiti integrati è un’operazione molto complessa e laboriosa.

Si parte da un disegno ingrandito del circuito, da cui vengono ricavate diverse maschere che individuano le porzioni del wafer a cui devono essere aggiunte le impurità per realizzare diodi, transistori, etc. Ciascuna maschera, dopo essere stata miniaturizzata con metodi fotografici, vene appoggiata sul wafer, la cui superficie è stata precedentemente rivestita di uno strato di ossido di silicio e di un altro strato di materiale fotosensibile. L’esposizione ai raggi ultravioletti indurisce le parti non ricoperte dalla maschera e consente in una successiva operazione di eliminare, per attacco chimico, le parti ricoperte dalla maschera.

Il wafer viene poi immerso in un’atmosfera impregnata dell’impurità con cui si drogano le zone di silicio rimaste scoperte. Queste operazioni vengono ripetute più volte, usando maschere ed impurità diverse, per realizzare i diversi componenti. Al termine vengono depositate sul wafer, per evaporazione o spruzzo, delle microscopiche strisce metalliche che realizzano i collegamenti tra le zone e p del circuito.

Lo sviluppo dei circuiti integrati ha comportato una riduzione dei costi per unità di prodotto del all’anno. Ciò ha consentito di rendere economicamente accessibili strumenti sempre più complessi. Nell’evoluzione di questa tecnologia si possono distinguere quattro fasi successive:

    integrazione su piccola scala, dal 1960 al 1965;
    integrazione su scala media, dal 1965 al 1970;
    integrazione su larga scala, dal 1970 al 1980;
    integrazione su larghissima scala, dal 1980 in poi.