Diodi, transistor e semiconduttori

Con questa pagina entriamo nel mondo dei semiconduttori, i componenti che rendono possibile non solo far scorrere o accumulare corrente (come fanno resistori, condensatori e induttori), ma anche controllarla e amplificarla. Sono, letteralmente, i mattoni dell’elettronica moderna.

Il diodo, il nostro primo semiconduttore

Il diodo non è un componente attivo (non amplifica nulla) ma è il primo semiconduttore che incontriamo nel corso. Il suo comportamento è semplice quanto fondamentale: permette il flusso di corrente in un solo verso.

• se l’anodo è polarizzato positivamente, la corrente attraversa il diodo;
• se l’anodo è polarizzato negativamente, si comporta come un circuito aperto.

Nella pratica il diodo inizia a condurre in modo significativo solo oltre una determinata tensione di soglia, tipicamente di circa 0,6-0,7 Volt per i diodi al silicio e di circa 0,2-0,3 Volt per quelli al germanio.

Ogni diodo è caratterizzato da una tensione e una corrente massima che è in grado di sopportare, oltre le quali si danneggia. Esistono intere famiglie di diodi con caratteristiche accessorie specifiche (diodi Zener, diodi LED, varicap, e così via, e su questi ultimi torneremo parlando del Pixie).

Un dettaglio pratico ma essenziale: i semiconduttori sono sempre individuati da una scritta presente sull’involucro, e nei diodi il catodo (k) è identificato da un anello colorato stampato su un’estremità del corpo. Sbagliare l’orientamento di un diodo in fase di montaggio è uno degli errori più comuni per chi comincia – ed anche nel Pixie, come vedremo, ha conseguenze molto concrete.

Cosa sono i semiconduttori

I semiconduttori sono costituiti dalla giunzione di elementi resi volutamente impuri (drogati). L’impurità determina la polarità della zona di materiale: le giunzioni di tipo n hanno un eccesso di elettroni, le giunzioni di tipo p una carenza.

• I diodi hanno una singola giunzione pn.
• I transistor bipolari ne hanno due (struttura pnp oppure npn), e sono componenti attivi: a differenza del diodo, non si limitano a lasciar passare o bloccare la corrente, ma la controllano.

Nel transistor, la polarizzazione del terminale centrale – la base – determina il flusso di corrente che scorre negli altri due terminali (collettore ed emettitore). Mantenendo il paragone idrico introdotto in precedenza, il transistor funziona come una sorta di rubinetto: una piccola variazione sulla base produce una variazione, molto più ampia, nel flusso principale. È proprio questa proprietà che permette ad un segnale estremamente debole, proveniente ad esempio da un’antenna, di essere amplificato e reso utilizzabile.

Un cenno storico: i tubi a vuoto

Prima dell’avvento dei transistor, la stessa funzione di controllo del flusso di elettroni era svolta dai tubi a vuoto (le valvole). La logica di funzionamento é, concettualmente, la stessa: trasportare elettroni in un solo senso, e regolarne il flusso.

• il flusso di elettroni é generato riscaldando una placca metallica, il catodo;
• il regolatore é costituito da una o più griglie, il cui potenziale controllava il passaggio degli elettroni (in modo concettualmente molto simile a quanto avviene con la base di un transistor.);
• una ulteriore placca, l’anodo, raccoglie gli elettroni in uscita.

I tubi a vuoto sono oggi in gran parte sostituiti dai semiconduttori in quasi tutte le applicazioni, ma restano un pezzo di storia – e sopravvivono ancora in alcune nicchie, come gli amplificatori audio ad alta fedeltà o alcuni stadi finali ad alta potenza in radiofrequenza.

Il transistor

Il transistor è un semiconduttore attivo, e il termine raggruppa in realtà moltissime famiglie di componenti anche molto diverse fra loro (bipolari, FET, MOSFET…). Può essere usato per amplificare un segnale oppure per commutare una corrente (accendere/spegnere, come un interruttore elettronico). Esistono migliaia di modelli di transistor, con caratteristiche elettriche e meccaniche differenti, e ogni componente ha una documentazione tecnica specifica – il cosiddetto datasheet – che ne riporta tutte le caratteristiche.

Il pinout

Molte delle caratteristiche riportate nel datasheet servono soprattutto in fase di progettazione. Ce n’è però una che è fondamentale anche in fase di semplice assemblaggio: il pinout, cioè la disposizione dei terminali (base, collettore, emettitore). Anche quando si monta un kit già progettato, come il Pixie, è essenziale verificare sempre la corretta disposizione dei pin prima di saldare: un transistor montato al contrario, nella migliore delle ipotesi non funziona, nella peggiore si danneggia irrimediabilmente.

Fra poco prenderemo in mano i transistor del Pixie e ci accorgeremo che, in fondo, gran parte del ricetrasmettitore è costruita attorno a loro. Imparare a riconoscerli e a comprenderne il funzionamento significa quindi compiere un altro piccolo passo verso la costruzione della nostra radio.