Transistore.

Dispositivo elettronico a semiconduttori che permette il controllo di un segnale elettrico in uscita da parte di un segnale elettrico in ingresso. È costituito da un'opportuna disposizione di regioni semiconduttrici diversamente drogate, di dimensioni ridottissime; utilizzato principalmente per amplificare la potenza della corrente elettrica, ha sostituito in quasi tutte le applicazioni i tubi termoelettronici, tranne nei casi in cui siano richiesti valori di potenza o di frequenza particolarmente elevati. Il materiale più utilizzato per la costruzione dei t. è il silicio, grazie al quale è possibile costruire circuiti monolitici (circuiti integrati) contenenti milioni di t. La struttura dei t. varia a seconda degli impieghi cui sono destinati; i più diffusi sono i t. a giunzione o bipolari o BJT e i t. a effetto di campo o FET. Nei primi l'amplificazione della potenza della corrente elettrica è dovuta all'interazione di due giunzioni p-n strettamente ravvicinate, delle quali la prima è polarizzata direttamente mentre la seconda è polarizzata inversamente; nei secondi l'azione di amplificazione è affidata alla modulazione della geometria di un canale conduttivo da parte di diversi dispositivi. Accanto ai BJT e ai FET, basati su substrati di semiconduttore di un certo spessore, sono stati sviluppati anche t. basati su film sottili di semiconduttore con struttura policristallina o amorfa, detti TFT. Benché la qualità elettronica dei film sottili di semiconduttore sia molto inferiore a quella delle piastrine monocristalline di silicio, essi presentano il vantaggio di poter essere realizzati su substrati isolanti di basso costo e di notevole ampiezza; per questo motivo i TFT vengono utilizzati nei visualizzatori di immagine a cristalli liquidi, in cui a ogni elemento dello schermo (pixel) corrisponde un t. impiegato come interruttore. I circuiti integrati sono costituiti da diversi tipi di componenti passivi, e soprattutto da t., che costituiscono gli elementi più facili da integrare; i processi utilizzati per la realizzazione di circuiti integrati possono essere utilizzati anche per la costruzione di singoli t. Nella realizzazione di tutti i tipi di t. e di circuiti integrati si riconoscono alcuni processi di base comuni. Il primo processo consiste nella realizzazione per accrescimento di lingotti monocristallini di silicio, puri o con drogaggio opportunamente dosato in vista dell'applicazione desiderata; da essi vengono ricavate sottili piastrine, dello spessore di qualche millimetro, dette wafer, utilizzate poi per la realizzazione di numerosi t. o di più copie di un circuito integrato. Un secondo processo è il cosiddetto accrescimento epitassiale, che permette di depositare sottili strati di materiale sul substrato, per ottenere le caratteristiche applicative desiderate; tali caratteristiche dipendono anche dal tipo di drogaggio effettuato nel substrato, che può essere ottenuto mediante diffusione o impiantazione ionica. Il processo di trasferimento sul wafer delle forme geometriche necessarie per la realizzazione dei diversi tipi di t. prende il nome di processo litografico; ad esso può seguire un attacco chimico selettivo del wafer, che consente l'eventuale asportazione di opportuni strati. Infine, specialmente nella realizzazione di circuiti integrati, sono da ricordare i processi di metallizzazione, che consentono di ottenere le connessioni fra i vari elementi circuitali. ║ T. bipolari: t. nei quali la conduzione è affidata a portatori di carica di entrambe le polarità. Sono costituiti da una piastrina di materiale semiconduttore nella quale si succedono tre regioni diversamente drogate, denominate emettitore, base e collettore: a seconda del tipo di drogaggio di tali regioni, si parla di t. n-p-n o p-n-p. La struttura di un t. bipolare si richiama a quella di una coppia di diodi a giunzione contrapposti, ma il suo comportamento è diverso: esso dipende, infatti, dall'interazione tra la giunzione dell'emettitore e quella del collettore che, grazie alle ridottissime dimensioni della base (qualche decimo di micrometro) sono fortemente ravvicinate. In condizioni normali, la giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente, mentre la giunzione base-collettore è polarizzata inversamente; grazie al tipo di drogaggio delle tre regioni, facendo riferimento al t. p-n-p, l'intensità della corrente di collettore è dovuta alla contemporanea presenza del flusso di cariche provenienti dall'emettitore e di quello relativo al solo circuito base-collettore. In questa disposizione, detta disposizione circuitale con base comune o base a massa, il segnale di ingresso è applicato all'emettitore e quello di uscita è prelevato dal collettore: nonostante le due intensità di corrente siano dello stesso ordine di grandezza, la notevole resistenza applicata al circuito di uscita consente l'amplificazione di potenza desiderata. Più diffuse sono le disposizioni circuitali con emettitore comune, o emettitore a massa, nelle quali il segnale in ingresso è applicato alla base anziché all'emettitore; esse consentono di ottenere un'amplificazione della corrente, oltre a quella di potenza. Presentano tale vantaggio anche le disposizioni circuitali con collettore comune, o collettore a massa, nelle quali l'elettrodo di ingresso è la base e quello d'uscita è l'emettitore. Dal punto di vista elettrico, il t. è caratterizzato da due funzioni che esprimono le relazioni esistenti tra l'intensità della corrente di emettitore, l'intensità della corrente di base, la tensione di base e la tensione di collettore (entrambe riferite all'emettitore); tali funzioni sono generalmente fornite sotto forma di tabelle o di diagrammi, detti curve caratteristiche statiche. I t. considerati fino ad ora sono basati solo su un tipo di semiconduttore, e prendono per questo il nome di t. bipolari a omogiunzione: in essi possono essere solo variati il livello di drogaggio e le dimensioni delle varie parti costituenti, il che riduce le prestazioni massime ottenibili mediante tali dispositivi. Questo vincolo può essere superato mediante l'utilizzo di t. bipolari a eterogiunzione, contenenti, cioè, giunzioni p-n tra diversi semiconduttori. I t. bipolari vengono utilizzati in elettronica analogica, ad esempio per la realizzazione di amplificatori e di oscillatori, e in elettronica digitale, ad esempio per costruire circuiti di commutazione; nel campo dei circuiti integrati, trovano applicazione per ottenere elevate velocità di commutazione. ║ T. a effetto di campo: t. nei quali la conduzione è affidata a un solo tipo di portatore di carica elettrica. Sono costituiti da un semiconduttore estrinseco di forma opportuna, la cui conducibilità tra due regioni periferiche appositamente costruite può essere modificata mediante un elettrodo di controllo posto nella regione centrale, il quale determina una strozzatura indicata con il nome di canale; le due regioni periferiche prendono il nome di sorgente e pozzo, mentre l'elettrodo metallico è detto gate o porta. A seconda del drogaggio del semiconduttore (solitamente silicio) si hanno due tipi di FET, i FET a canale n e i FET a canale p; a seconda che l'elettrodo di controllo sia posto o meno a contatto con un'apposita regione del semiconduttore avente drogaggio di tipo opposto al canale, anch'essa detta gate, si hanno i FET a giunzione (JFET) e i FET a porta isolata (IGFET), tra i quali i più diffusi sono i MOSFET. I FET a giunzione presentano una stretta analogia di funzionamento con i tubi termoelettronici, in particolare con il triodo, per quanto riguarda la conduzione, e con il pentodo, per quanto riguarda l'andamento delle caratteristiche di uscita; grazie a un assorbimento estremamente ridotto della corrente in ingresso, dal punto di vista elettrico i JFET sono caratterizzati da tre sole grandezze, la tensione di pozzo, la tensione di gate e l'intensità della corrente di gate. Nei FET a porta isolata, l'elettrodo di gate controlla la concentrazione efficace dei portatori di carica elettrica nel canale di conduzione tra sorgente e pozzo, a differenza dei JFET, nei quali esso controlla la dimensione efficace del canale. Tale controllo avviene mediante un fenomeno di induzione elettrostatica tra l'elettrodo e la superficie di semiconduttore sottostante, separati da un sottile strato isolante; nei MOSFET, in particolare, il semiconduttore utilizzato è il silicio e l'isolante è costituito dal suo ossido. Il MOSFET è il tipo di t. più diffuso per l'elettronica integrata su larghissima scala, grazie alla sua stabilità e affidabilità, all'elevatissima impedenza di ingresso, al ridotto consumo di energia elettrica e alla sua estrema facilità di miniaturizzazione. ║ T. di potenza: dispositivi concettualmente appartenenti alla famiglia dei t., dai quali si differenziano per una configurazione che li rende adatti all'impiego come interruttori a semiconduttore nei convertitori statici di potenza per la conversione dell'energia elettrica. Come i t. utilizzati nei circuiti elettronici, i t. di potenza possono essere del tipo a giunzione, indicati come BJT di potenza, o del tipo a effetto di campo, tra i quali i più diffusi sono i MOSFET di potenza e gli IGBT. I t. di potenza sono generalmente impiegati nei convertitori statici come elementi di commutazione; sia la commutazione del t. dalla condizione di interdizione (stato di off) a quella di conduzione (stato di on), detta accensione, sia la commutazione inversa, detta spegnimento, avvengono mediante l'invio di un segnale opportuno all'elettrodo di comando, attraverso un circuito elettrico, detto circuito di pilotaggio. I t. di potenza con commutazioni periodiche sono caratterizzati dalla frequenza di commutazione, grandezza definita come l'inverso del periodo di tempo intercorrente tra due commutazioni di accensione del dispositivo. Tale funzionamento comporta una notevole dissipazione di potenza, detta potenza perduta in commutazione, che si aggiunge a quella dissipata nel passaggio di corrente durante la conduzione (potenza perduta in conduzione); la potenza perduta in commutazione è proporzionale ai tempi di accensione e di spegnimento del t., e cresce linearmente con la frequenza di commutazione, il che limita notevolmente il campo di frequenze utilizzabili. La scelta della frequenza è condizionata anche dalla necessità di mantenere entro certi limiti la temperatura massima raggiunta dal chip durante il funzionamento. Si può dire che, generalmente, i t. di potenza presentano frequenze di commutazione che vanno da alcuni kHz a decine di kHz. I t. di potenza sono il principale componente di quasi tutti i convertitori statici di potenza che trovano impiego nelle applicazioni elettriche. ║ T. bipolari di potenza: interruttori a semiconduttore nei quali le commutazioni di accensione e di spegnimento sono comandate alimentando la base con una corrente opportuna. Lo spegnimento è ottenuto mediante una corrente di base negativa, che può essere rimossa appena viene raggiunto lo stato di off; il funzionamento nello stato di on, invece, richiede il mantenimento di una corrente di base positiva, che determina un consumo di potenza da parte del circuito di pilotaggio non trascurabile. A differenza degli analoghi t. utilizzati nell'elettronica di segnale, i BJT di potenza sono caratterizzati dalla presenza di uno strato n^-, che costituisce parte del collettore. ║ T. a effetto di campo di potenza: t. di potenza utilizzati in convertitori statici nel campo da poche decine di VA fino a qualche kVA. A differenza dei BJT di potenza, essi presentano il vantaggio di un bassissimo consumo di potenza del circuito di pilotaggio e da tempi di commutazione molto ridotti. La necessità di compendiare in un unico dispositivo di potenza a semiconduttore i pregi dei t. bipolari e quelli dei MOSFET ha portato, a partire dalla fine degli anni Ottanta, alla realizzazione dei t. IGBT. La struttura del chip di un IGBT è simile a quella di un MOSFET, rispetto al quale presenta, tuttavia, una minore perdita di conduzione e un tempo di spegnimento leggermente maggiore. Essi trovano utilizzo nel campo delle decine di kVA, ma i rapidi progressi della tecnologia di tali dispositivi permette di prevedere la realizzazione di IGBT per correnti dell'ordine di diverse migliaia di A e per tensioni dell'ordine di 3.000 V.