PRESENTAZIONE
L'elettronica è la
scienza delle tecnologie che mirano a sfruttare l'elettricità e le
particolari proprietà di alcuni materiali ai quali viene applicata una
tensione o una corrente elettrica per gli scopi più diversi.
L'elettronica nasce con la formulazione della teoria elettronica dei
metalli enunciata dal fisico Lorentz, che ipotizzava l'esistenza di particelle
molto più piccole degli atomi e cariche negativamente: gli elettroni.
Essi negli elementi metallici non sono stabilmente legati al nucleo di un solo
atomo, ma sono estremamente mobili, per cui applicando una differenza di
potenziale elettrico al metallo, gli elettroni tenderanno a migrare verso il
polo positivo. Nei dielettrici, cioè nei materiali isolanti, gli
elettroni non sono liberi di muoversi, per cui non sono in grado di condurre
elettricità.
La teoria di Lorentz spiegava bene certi fenomeni
elettrici descritti dalle leggi di Ohm e Joule, nonché l'effetto Edison,
cioè l'emissione di elettroni da parte di un corpo caldo.
LE VALVOLE
Proprio sfruttando l'effetto Edison, nel 1904
Fleming realizzò la valvola termoionica rivelatrice (diodo). Essa
consiste in un tubo nel quale è stato praticato il vuoto; all'interno di
tale tubo è racchiuso un filamento di tungsteno che, reso incandescente,
emette elettroni; il filamento è detto catodo. Nello stesso tubo si trova
anche un elettrodo metallico chiamato placca; se questa è collegata al
polo positivo di un generatore di elettricità, gli elettroni emessi dal
catodo viaggeranno verso di essa; al contrario, se la placca è collegata
al polo negativo gli elettroni verranno respinti. In pratica, all'interno di un
diodo la corrente può circolare in un solo senso. Questa proprietà
del diodo ha consentito la costruzione di raddrizzatori di corrente alternata e
di radioricevitori efficienti: un raddrizzatore consente di ottenere una
corrente continua da una alternata; nella radio, il diodo funge da rivelatore
discriminando il segnale audio dall'onda portante.
A tre anni dalla
scoperta di Fleming, l'americano De Forrest ebbe l'idea d'interporre un terzo
elettrodo, la griglia, tra la placca e il catodo di un diodo inventando il
triodo.
Grazie al triodo vennero realizzati ricevitori radio in grado di
captare i segnali più deboli, oltre a tutta una serie di circuiti audio
che permisero di comandare altoparlanti. Sempre De Forrest, contemporaneamente
al tedesco Meissner, inventò un circuito che combinava un diodo e un
triodo per produrre onde radio: la nascita del primo vero circuito oscillante
nel 1912 segnò l'inizio della moderna radiotecnica.
I MATERIALI SEMICONDUTTORI
Usando le valvole, l'uomo costrui una grande
varietà di circuiti elettronici: apparecchi radio, televisori,
calcolatori, strumenti di misura. Tuttavia le valvole possedevano limiti
intrinseci: costavano molto erano ingombranti e consumavano molta energia. La
complessità dei circuiti spesso comportava pesi e consumi che limitavano
la diffusione dell'elettronica.
Finalmente, nel 1948 i fisici Shockley,
Bardeen e Brattain spiegarono il comportamento elettronico dei materiali
semiconduttori e realizzarono il primo transistor.
Come spiega la stessa
parola, un semiconduttore è una sostanza in grado di condurre
elettricità meglio di un dielettrico, ma peggio di un metallo: il silicio
e il germanio sono classiche sostanze semiconduttrici. Inquinando monocristalli
di semiconduttori con tracce di determinate sostanze (operazione di drogaggio)
possiamo ottenere sostanze semiconduttrici ricche di cariche negative (sostanze
di tipo N) o positive (sostanze di tipo P).
Mettendo a contatto una
sostanza di tipo N e una di tipo P si realizza una giunzione N-P: attraverso di
essa le cariche negative della zona N si diffonderanno in quella P e viceversa.
Applicando una tensione negativa alla zona N e positiva alla zona P si
avrà passaggio di corrente; al contrario, applicando la tensione positiva
ad N e quella negativa a P, non ci sarà passaggio di corrente attraverso
la giunzione. In pratica una giunzione N-P sostituisce la valvola termoionica:
la zona N è paragonabile al catodo, mentre quella P alla placca.
In
sostanza possiamo paragonare il nostro transistor a un wafer, composto da due
strati di semiconduttori dello stesso tipo (emettitore e collettore) separati da
un'altro strato di tipo diverso (base): quindi, esistono transistor di tipo
N-P-N e P-N-P. Il funzionamento di un transistor è più complesso
di quello della semplice giunzione N-P:basti sapere che un transistor è
assimilabile a un triodo e che emettitore, collettore e base corrispondono
rispettivamente al catodo, alla placca e alla griglia.
I transistor sono
più economici delle valvole e centinaia di volte più piccoli,
inoltre necessitano di correnti e tensioni limitate. Grazie a queste
caratteristiche si sono potuti costruire circuiti complessi ma miniaturizzati,
tanto da poter essere montati su satelliti e lanciati nello spazio.
In
realtà i transistor non sono stati che il punto di partenza della moderna
microelettronica, che consente non solo la realizzazione di circuiti sempre
più piccoli, ma prevede anche una notevole riduzione dei consumi.
I
più recenti componenti elettronici sono i circuiti integrati: sulla
superficie di minuscoli chip, piastrine di silicio, sono realizzati circuiti
completi composti da un gran numero di transistor, diodi, resistenze,
condensatori.
