Elettronica Digitale – Introduzione 1

premetto che in realtà volevo evitare la scrittura di questo articolo in quanto il web è pieno di articoli dove si spiegano le basi del digitale. Alla fine di dedicare una serie di articoli che parlano di logica booleana e di porte logiche in modo da riprendere i concetti importanti che ci accompagneranno dopo.

Cos’è il digitale? e perché lo utilizziamo?

La parola digitale prende il nome da “digit” che significa cifra, in elettronica il mondo digitale si contraddistingue dal mondo analogico perché nel primo l´informazione è contenuta in modo discreto mentre il secondo è contenuta in modo continuo.
Per fare un esempio lampante della differenza fra i due mondi , prendiamo in considerazione un sistema che misura la temperatura. Se il sistema immaginato è digitale avremo un determinato numero di cifre che ci danno il valore di temperatura, più cifre ci sono più la misura è precisa, mentre se il sistema fosse analogico avremo un valore di tensione ad indicare la temperatura, che almeno in linea teorica avremo infiniti possibili valori, quindi un valore continuo di temperatura.

ma non è meglio avere un insieme infinito anziché un insieme finito di valori?

Da un punto di vista teorico si potrebbe considerare anche vera questa affermazione, ma il mondo non è perfetto e i segnali analogici sono affetti da un sacco di disturbi. Nella maggior parte dei casi il numero di cifre dei sistemi digitali è sufficiente a garantire una precisione maggiore rispetto ai disturbi che affliggono i sistemi analogici

Ma perché i sistemi digitali non sono afflitti da disturbi?

In realtà, i disturbi sulla tensione si verificano sia nei sistemi digitali che analogici nello stesso modo. Semplicemente in un sistema digitale l’informazione è più robusta: vedendo gli “zeri” e gli “uni” digitali con gli occhi di un elettronico sono un intervallo di valori di tensione molto ampio, quindi pur introducendo del disturbo il contenuto non cambia.

Conduzione nei metalli

Lo scopo di questa serie di articoli è quella di spiegare il comportamento dei dispositivi elettronici, saltando per quanto possibile la parte matematica e le dimostrazioni, per concentrarsi maggiormente sui concetti che ne permettono il funzionamento. Sperando di ottenere delle spiegazioni più semplici adatte anche a chi non ha troppa dimestichezza con la matematica

Teoria Di Drude

Il modello di Drude per la conduzione spiega molto bene la conduzione nei metalli, ma come vedremo più avanti fallisce miseramente con i semiconduttori. Il modello si basa sul pensare l’elettrone come una particella di un gas che si muove nel solido. Per via della temperatura gli elettroni sono sempre in moto e urtano in continuazione atomi o altri elettroni. Se si considera una qualsiasi sezione del solido risulterà che gli elettroni che attraversano la sezione in un verso sarà mediamente uguale agli elettroni che attraversano la sezione nel verso opposto (prendete per buona questa affermazione che non verrà dimostrata in questo articolo) di conseguenza si avrà un flusso di cariche mediamente nullo. In altri termini la corrente che attraversa la sezione è nulla (mi aspetto che i lettori abbiano già delle basi di fisica).

Applicazione di un Campo elettrico esterno

In poche parole questo è quello che accade nel metallo quando non ci sono generatori di tensione applicati. Ora vediamo cosa accade al metallo quando viene connesso ad una batteria. All’interno di esso sarà presente un campo elettrico, gli elettroni saranno soggetti alla forza di Coulomb che ne modifica il moto. In particolare l’effetto del campo elettrico si somma alla velocità termica

\[
v =\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n \Vec{v_i} – \frac{q \vec{\varepsilon} t} {m}
\]

Il primo valore è la velocità dovuta alla temperatura è mediamente nullo, mentre il secondo termine della sommatoria non è nullo perché il contributo è nello stesso verso per ogni elettrone. Il risultato può essere espresso senza il termine di sommatoria introducendo un nuovo parametro che la velocità media fra gli urti che indicheremo con $\tau$.

\[
v = – \frac {q \vec{\varepsilon} \tau} {m}

\]

da qui si definisce la mobilità

\[

\mu = \frac {q \ \tau} {m}

\]

e infine la densità di corrente

\[

J = (-q) v = (-q) (-\mu \varepsilon) = q \mu \varepsilon

\]

Siamo praticamente giunti alla legge di Ohm microscopica, dal prossimo articolo si parlerà solo di semiconduttori