Il semiconduttore scalda...
Se alcuni corpi diventa caldi in quanto ricevono calore, altri sono essi
stessi fonte di energia termica. Nei circuiti elettronici, praticamente tutti i componenti
sono
generatori di calore, avendo una resistenza ed essendo attraversati da una
corrente. Un componente elettrico è caldo perchè genera calore per effetto Joule,
ovvero il calore è prodotto all' interno dello stesso componente. In alcuni
casi il fatto è ben visibile: pensiamo ad esempio alla resistenza di
riscaldamento di una stufa.
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In altri casi il "punto caldo" non è
direttamente visibile, in quanto si trova dentro l' oggetto.
Questo è il caso dei semiconduttori, dove il "cuore" del
dispositivo è costituito da una minuscola piastrina di silicio
("die"): il calore è generato dalle giunzioni realizzate in
questa piastrina.
Il "die", di pochi millimetri quadrati di
superficie, è inglobato al centro di un blocchetto di
materiale plastico o in un contenitore metallico sigillato (case) che ha
funzione di isolamento, supporto meccanico e trasmissione del calore
.
Le connessioni elettriche sono riportate all' esterno attraverso
pin o altri sistemi.
Nell' immagine a lato, un semiconduttore in package denominato TO-220, visto
in sezione. Si tratta di un package per semiconduttori di potenza, ma
di dimensioni limitate (è largo meno di 10mm e lungo un paio di
centimetri).
Il "die" è fissato a un "tab" metallico che ha
lo scopo di condurre all' eterno il calore generato.
Il "tab", come in questo caso, può avere anche la
funzione di fissaggio meccanico ad un sistema di raffreddamento; va
tenuto presente che, solitamente, per migliorare al massimo l'
accoppiamento termico tra "die" e "tab" non viene
interposto isolamento, per cui il "tab" è elettricamente
collegato ad un terminale del semiconduttore. |
Il punto caldo, dunque, è il centro della piastrina di silicio con cui è
realizzato il semiconduttore. Esso prende il nome generico di "giunzione"
(in inglese junction, abbreviato in j). Il nome
"giunzione" viene attribuito sia a componenti che hanno reali
giunzioni (transistor BJT, diodi raddrizzatori, LED, ecc), come a componenti
che non ne hanno (MOSFET) o ne hanno molteplici (circuiti intergrati), in
relazione al fatto che è nel die che si sviluppa il calore. E lo useremo
anche per componenti che non sono semiconduttori, come i resistori, che,
comunque, hanno un volume "centrale" che origina calore per effetto
Juole.
Il resto dei package è realizzato spesso con resine epossidiche, solitamente di
colore nero; pur essendo materie plastiche, non sono degli isolanti termici,
anche se presentano una resistenza al passaggio del calore ben maggiore di
quella del metallo del tab. Se si richiede una minore resistenza termica
si utilizzeranno package metallici con superfici più o meno grandi per lo
scambio del calore.
Noi
percepiamo il calore toccando il componente
perchè questo calore ha attraversato i materiali del package fino
ad essere percepibile sulla superficie esterna ("scotta !"). Il calore,
prodotto al centro del componente, si
è propagato per conduzione.
Ovviamente in questo caso si tratta di calore senza fiamma (almeno fino a
quando non eccedete con l' energia fornita...).
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Anche per questo può essere utile un chiarimento: il gas è caldo per la
sua combustione, la quale genera anche una fiamma. E noi associamo il calore al
fuoco. Ma diventa calda anche l' acqua in cui sciogliamo dello zucchero
(reazione esotermica) o un oggetto lasciato in pieno sole; in entrambi i casi il
riscaldamento non da certo ad una fiamma. Quindi è
importante comprendere che la "fiamma", o il fil di fumo del
componente che fonde..., sono sintomi di reazioni chimiche relative ai
materiali, dovute essenzialmente al calore, ma non sono "il
calore". Piuttosto, elevate quantità di calore possono portare la
temperatura di un materiale ad un punto in cui ne avviene la vaporizzazione o
l' incendio o una qualche reazione che cambia la struttura del
materiale stesso.
Ed anche il valore della temperatura è indice della quantità di
calore presente nel corpo, ma non è indice assoluto di problemi al
materiale. Ad esempio, la maggior parte delle materie plastiche a più
di 60°C si deforma, ma questa temperatura non modifica minimamente lo
stagno che richiede 232°C per iniziare a fondere; alla stessa
temperatura circa (451°F) la carta brucia. Abbiamo un senso di molto calore
("scotta") toccando un corpo a più di 50°C, mentre la
giunzione di un semiconduttore può arrivare a 125°C.
Anche gli "effetti pirotecnici" del calore sono
in generale relativi alla natura del materiale e alla quantità di calore
relativa alla massa a cui
si applica: per bruciare una piccola resistenza può bastare un watt, per fondere
l' alluminio i forni trasformano in calore potenze di MW.
Quindi è buona cosa evitare ogni generalizzazione e
sensazionalismo osservando un fenomeno relativo al calore e cercare di
comprendere in cosa consista il fenomeno stesso.
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