Fondamenti di elettronica

Informazione trasportata dagli elettroni

L’elettrotecnica usa le cariche elettriche per trasportare energia; l’elettronica le usa per trasportare informazione. Un sistema elettronico acquisisce informazione dal mondo, la elabora, la memorizza, la trasmette e la usa per agire: lo fa un termometro digitale come uno smartphone. La scelta degli elettroni come supporto non è casuale. Negli atomi gli elettroni più esterni sono legati debolmente, e in un conduttore o in un semiconduttore ne basta poca energia, anche quella dell’agitazione termica, per liberarli. Sono leggeri, circa $1840$ volte meno di un protone, e si mettono in moto con poca energia. Hanno carica, quindi si guidano con campi elettrici e magnetici. E sono stabili.

Un coulomb corrisponde a $6{,}24\times10^{18}$ elettroni, una quantità enorme per l’elettronica: i circuiti integrati spostano cariche dell’ordine del femtocoulomb o del picocoulomb, da qualche migliaio a qualche milione di elettroni, per consumare poca energia a ogni operazione.

Da Fleming alla legge di Moore

Nel 1904 John Ambrose Fleming inventò il diodo a vuoto, un tubo in cui la corrente passa in un solo verso: il primo componente non lineare dell’elettronica, usato per decenni nei ricevitori radio. Nel 1906 Lee de Forest aggiunse un terzo elettrodo e ottenne il triodo, che negli anni seguenti diventò il primo amplificatore elettronico: con un terminale si controlla la corrente che passa tra gli altri due, e la potenza del segnale in uscita è maggiore di quella in ingresso, a spese di un’alimentazione. I dispositivi che amplificano hanno ancora oggi tre terminali e lo stesso principio. Nel 1927 Harold Black ebbe l’idea della retroazione negativa, che rende gli amplificatori precisi e lineari anche se i loro componenti non lo sono, e che si ritrova in tutti i controlli automatici.

Il 23 dicembre 1947, ai laboratori Bell, John Bardeen e Walter Brattain presentarono il primo transistore, un dispositivo a semiconduttore che faceva il lavoro del triodo in pochi millimetri, senza vuoto e senza un filamento da scaldare. William Shockley ne capì il funzionamento e ne progettò una versione migliore, il transistore a giunzione; i tre ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 1956. Alla fine degli anni Cinquanta le radio a transistori portatili portarono il nuovo dispositivo nelle case.

Nel 1958 Jack Kilby, alla Texas Instruments, e poco dopo Robert Noyce, alla Fairchild, realizzarono indipendentemente il circuito integrato: transistori, resistori e condensatori fabbricati insieme in un unico pezzo di semiconduttore, già collegati tra loro. Kilby ricevette il Nobel nel 2000; Noyce era morto nel 1990. Nel 1965 Gordon Moore osservò che il numero di componenti di un circuito integrato raddoppiava ogni anno, e previde che l’andamento sarebbe continuato; nel 1975 corresse la stima a un raddoppio ogni due anni. La previsione, chiamata legge di Moore, è diventata un obiettivo dell’industria, e ha retto per mezzo secolo.

Transistori più piccoli non costano solo meno, perché occupano meno area: come mostrano gli articoli sulle porte logiche, sono anche più veloci e consumano meno energia a ogni commutazione. È la ragione per cui la miniaturizzazione ha migliorato insieme il costo, la velocità e il consumo dei circuiti, e per cui l’elettronica è entrata in quasi ogni oggetto.

Il sistema elettronico

Qualunque sistema elettronico si può descrivere con quattro blocchi. I sensori trasformano grandezze fisiche, come temperatura, luce, pressione o velocità, in segnali elettrici. L’elaborazione trasforma questi segnali secondo le regole scelte dal progettista. Gli attuatori trasformano i segnali elaborati in azioni: luce, suono, movimento, onde radio. L’alimentazione fornisce l’energia a tutti gli altri.

Con i soli componenti del percorso «Circuiti elettrici» l’elaborazione non si può fare. Una rete di resistori e condensatori non amplifica, perché è passiva e in uscita non può dare più potenza di quella che riceve, e non inverte un segnale logico, perché non ha un comportamento a soglia. Servono dispositivi nuovi, e l’elettronica ne usa pochissimi tipi: i diodi e, soprattutto, i transistori. Collegati tra loro in modo opportuno, fanno tutte le operazioni necessarie, sui segnali analogici come su quelli digitali.

Gli articoli del percorso

Il primo articolo definisce i segnali elettrici, analogici e digitali, e i modelli elettrici di sensori e attuatori, e ripassa la costante di tempo con un problema di misura concreto, la sonda dell’oscilloscopio. Poi il percorso scende nella fisica dei semiconduttori: elettroni e lacune, la densità dei portatori e il livello di Fermi, le correnti di deriva e di diffusione. Su queste basi costruisce la giunzione pn, all’equilibrio e polarizzata, e i dispositivi che ne vengono: il diodo, il fotodiodo e la cella fotovoltaica, il transistore bipolare, il condensatore MOS e il transistore MOSFET.

La seconda parte usa i transistori. Con i MOSFET costruisce l’invertitore logico, ne studia i tempi di commutazione e la potenza, e arriva alle porte logiche CMOS, ai circuiti sequenziali e alle memorie. Poi passa ai circuiti analogici: l’amplificatore a source comune e gli stadi amplificatori, l’analisi in frequenza, la retroazione e l’amplificatore operazionale, ideale e reale.

Il percorso presuppone «Circuiti elettrici», in particolare i transitori e il regime sinusoidale. Gli articoli sui semiconduttori usano qualche nozione di fisica moderna, come la distribuzione di Fermi-Dirac, e la richiamano dove serve. Il percorso «Strumentazione elettronica» parte da qui.

1. 1Segnali e sistemi elettronici
2. 2Elettroni e lacune nei semiconduttori
3. 3Densità dei portatori e livello di Fermi
4. 4Deriva e diffusione
5. 5La giunzione pn all'equilibrio
6. 6La giunzione pn polarizzata
7. 7Il diodo e i suoi circuiti
8. 8Fotodiodo e cella fotovoltaica
9. 9Il transistore bipolare
10. 10Il condensatore MOS
11. 11Il transistore MOSFET
12. 12L'invertitore logico
13. 13Tempi di commutazione e potenza
14. 14Porte logiche CMOS
15. 15Reti sequenziali e memorie
16. 16L'amplificatore a source comune
17. 17Polarizzazione e stadi amplificatori
18. 18Analisi in frequenza
19. 19Retroazione e amplificatore operazionale
20. 20L'amplificatore operazionale reale