produzione di energia elettrica con sistemi a celle ... - Il Saturatore

cenni introduttivi
In condizioni ordinarie un pezzo di silicio è neutro: le cariche dei suoi nuclei sono
bilanciate da quelle della coorte di elettroni che riempiono i vari strati, compresi quelli di
valenza. Nel cristallo si hanno legami covalenti in cui i 4 elettroni di valenza si legano
con altri 4 elettroni di atomi contigui, accoppiando gli spin (paralleli-antiparalleli:
Principio di Pauli).
Il drogaggio con un atomo di un “donor”: ad esempio Arsenico con 5 elettroni di
valenza lascia un elettrone di valenza con spin disaccoppiato ed esso è pronto a migrare
nel reticolo.
Il drogaggio con un atomo di un “acceptor”: ad esempio Boro con 3 elettroni di
valenza dà luogo ad una struttura ove 1 degli elettroni di valenza negli atomi di Silicio,
contigui a quello dell’acceptor, ha spin disaccoppiato e ciò crea una “lacuna”. Si ha
tendenza, infatti, alla formazione colà, di una struttura, ove, accoppiando gli spin, un
elettrone può legarsi con un altro disaccoppiato. Le lacune tendono pertanto “a
migrare” come gli elettroni liberi in seno alla struttura cristallina del semiconduttore.
Il Silicio drogato con i “donor” è un Silicio di tipo n e quello drogato con gli “acceptor”
è un Silicio di tipo p.
Accoppiando fisicamente due pezzi di Silicio di tipo p ed n: cioè creando un
“eccellente” contatto fisico tra due facce esterne degli “slice” di silicio p ed n si ottiene
un diodo a giunzione.
Gli elettroni liberi della zona n sono attratti dalla zona p, ove le lacune tendono a dare
stati quantici in cui si accoppiano gli spin degli elettroni spaiati di valenza con quelli degli
elettroni liberi migranti e si ha, ivi, “una migrazione” della lacuna 1 .
Nella zona n si ha la migrazione degli elettroni spaiati liberi. Il risultato è che,
localmente, nella zona di interfaccia si ha una regione, ora, carica positivamente nella
zona n (difetto di elettroni, dovuto al coacervo degli elettroni dei “donor” che si
accoppiano nelle “lacune” degli “acceptor”); e, si ha, contestualmente, una regione, ora
carica negativamente 2 , nella zona p.
Con il contatto tra gli slices si crea, in tal modo, il così detto “doppio strato” in cui nasce
un campo elettrico; al suo interno gli elettroni liberi sono respinti dallo strato carico
negativamente (nella zona p) e sono attratti dallo strato carico positivamente (nella zona
n). La corrente convenzionale (conseguente al fenomeno quantistico della saturazione
delle “lacune”) va dalla zona positiva a quella negativa (in senso opposto alla migrazione
del coacervo degli elettroni).
Collegando la giunzione ad un carico esterno passivo, statisticamente, si ha solo rumore.
Se si collega ad una sorgente di carica, il doppio strato permette il passaggio di corrente
se si collega il polo positivo di un apparato di generazione di energia elettrica alla
giunzione p e quello negativo alla giunzione n; diversamente si ha un impedimento alla
circolazione della corrente. Si è così ottenuto un diodo a giunzione.
1 Un elettrone del donor resta disaccoppiato; il legame con il nucleo resta labile e l’elettrone migra.
2 Nella predetta zona (poniamo che l’acceptor sia un atomo di boro che ha tre elettroni di valenza) vi sono
elettroni di valenza del silicio disaccoppiati; ciò fa si che degli elettroni liberi possano accoppiare il loro spin
(parallelo antiparallelo) raggiungendo uno stato quantico più stabile.
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Walter Morgano Tesi di Dottorato di Ricerca