Il 1939 è un anno importante non solo per gli eventi legati all’invasione della Polonia da parte della Germania nazista: è un anno denso di avvenimenti importanti come la prima edizione del Concerto di Capodanno a Vienna e l’inaugurazione a Roma – Monte Mario del primo trasmettitore “radiofonovisivo” in occasione del secondo anniversario della morte di Guglielmo Marconi. Nello stesso periodo, presso i laboratori della AT&T’s Bell, l’ingegnere americano Russell Shoemaker Ohl scopre il funzionamento della giunzione p-n. I suoi studi infatti, lo portano ad esplorare un campo fino ad allora praticamente ignoto, teorizzando e sperimentando il funzionamento dei cristalli e delle impurità che ne condizionavano il flusso di carica. Se non sapete chi sia “RS Ohl”, sappiate che il concetto stesso di “semiconduttore” e di tutti i tipi di diodo, LED compresi, discendono direttamente dal lavoro di Ohl che arriverà all’invenzione delle moderne celle solari.

La giunzione p-n costituisce la base del funzionamento dei dispositivi a seminconduttore, come il transistor e il diodo a giunzione.

La Giunzione p-n

Con questo termine si intende un’area chiamata “zona svuotata” che separa le due parti di un semiconduttore sottoposte a drogaggio di tipo differente. La zona con eccesso di lacune (p) e la zona con eccesso di elettroni (n) vengono ottenute grazie ad una tecnica chiamata per l’appunto “drogaggio”, che consente di aggiungere al cristallo puro, piccole percentuali di atomi estranee al cristallo che ne modificano le proprietà elettroniche. Grazie al drogaggio si aumenta la conducibilità elettrica e, nel caso in cui il drogaggio sia molto pesante, il semiconduttore (chiamato in questo caso “semiconduttore degenere“, può arrivare ad avere proprietà elettriche che si avvicinano molto a quelle di un metallo.

• Drogaggio di tipo p: l’atomo drogante ha un elettrone in meno, la particella mancante prende il nome di “lacuna“, la quale ha la possibilità di spostarsi all’interno del semiconduttore con carica positiva.
• Drogaggio di tipo n: l’atomo drogante ha un elettrone in più di quelli necessari a creare il legame base del reticolo cristallino. Questo elettrone in eccedenza è libero di muoversi all’interno del semiconduttore con carica negativa.

Quando parliamo di “drogaggio” non pensate che le percentuali di atomi esterni al cristallo originario siano altissime: stiamo parlando di atomi per cm³, perché non interessa modificare le proprietà chimiche ma solo e unicamente quelle elettroniche. Atomi droganti possono essere atomi di antimonio, arsenico o fosforo, oppure alluminio o boro. Il semiconduttore più utilizzato è il silicio o, in alternativa, il germanio.

Polarizzazione Diretta

Con l’ausilio di un generatore esterno di tensione, connettendo il terminale positivo alla zona di tipo p e al terminale negativo la zona di tipo n, abbiamo la Polarizzazione Diretta. Le lacune e gli elettroni vengono spinti verso la giunzione e questa operazione riduce l’ampiezza della zona svuotata, abbassando la barriera di potenziale. Quando la tensione di polarizzazione aumenta, la zona svuotata diventa talmente sottile che, per effetto tunnel, i portatori di carica possono varcare la barriera, dando origine ad una corrente elettrica.

Polarizzazione Inversa

Con l’ausilio di un generatore esterno di tensione, connettendo il terminale positivo alla zona di tipo n e al terminale negativo la zona di tipo p, abbiamo la Polarizzazione Inversa. In questo caso le lacune e gli elettroni vengono spinti lontano dalla zona svuotata che, diventando sempre più ampia, aumenta la barriera di potenziale e impedisce qualsiasi passaggio significativo di corrente. In questo caso l’unica corrente registrabile (in nano-ampere) è la corrente di saturazione inversa, ovvero quella che si registra quando il diodo viene alimentato con una tensione inferiore a 0 volt. Quando la tensione negativa continua a scendere, si arriva al punto chiamato “breakdown” (effetto valanga) in cui inizia a salire improvvisamente anche di migliaia di volt, distruggendo il semiconduttore. Esiste un diodo che viene utilizzato innescando l’effetto valanga: il diodo Zener. Questo tipo di diodo, capace di resistere al forte passaggio di corrente in polarizzazione inversa, viene utilizzato in genere come stabilizzatore di tensione.

Questi studi sono il risultato di un’approfondita sperimentazione iniziata da Ohl a metà degli anni ’30 presso i Bell Telephone Labs di Holmdel, New Jersey. La necessità di adottare raddrizzatori al silicio come rilevatori radar, portò lo scienziato a scoprire che, in corrispondenza di un aumento della purezza del silicio, migliorava la capacità di rilevamento radar. Gli studi sulla giunzione p-n di Ohl sono stati ripresi anni dopo da William Shockley per la teorizzazione del transistor a giunzione (1948).