Elektronika materialetan gertatzen den karga-fluxua aztergai duen zientzia-arloa da —batik bat material horiek erdieroaleak direnean—, eta jakintza horren gainean eraikitako teknika-arloa (zirkuitugintza, gehienbat). Izan ere, erdieroaleetan elektroiak ez daude eroaleetan (metaletan) edo isolatzaileetan bezala antolaturik eta, beraz, ez dute berdin jokatzen hiru materialotan. Erdieroalerik ezagunena eta erabiliena silizioa (Si) da: silizioa oso ugaria da lurrazalean (ia harri guztietan dago eta baita hareetan eta lurzoruan ere —silizea, silikatoak eta abar—); nahiko ondo ulertzen da haren portaera fisiko-kimikoa eta aski garatuta dago hura prozesatzeko teknologia.

MATERIAL ERDIEROALEEN IZAERA

Erdieroaleak barrutik aztertuta (eskala mikroskopikoan), banda-teoriaren arabera, ingurune-tenperaturan elektroi gutxi batzuk baino ez daude batez beste eroapen-bandan aske, elektroi-korrontean eramaile modura parte hartzeko, hala behar izanez gero —adibidez, kanpoko eremu elektriko baten eraginez—. Alabaina, elektroi gehien-gehienak balentzia-bandan dautza, gatibu, higitu ezinik, oro har. Hortaz, kanpotik aztertuta (eskala makroskopikoan), batetik, erdieroaleen eroankortasun elektrikoa eroaleenaren eta isolatzaileenaren artekoa da eta, bestetik, tenperatura igo ahala, eroankortasun elektrikoa ere igo egiten da, elektroi gehiagok atzeman baitezakete eroapen-banda, agitazio termikoa dela eta. Metaletan, ordea, jaitsi egiten da ; izan ere, zenbanahi elektroi aske egon arren, tenperatura igotzeak atomo-nukleoen bibrazio-higidura (“dardara”) areagotzen duenez, elektroi askeon higidura oztopatu egiten da.

Ezkerrean, silizioaren atomo-sarea eta elektroi-lotura kobalenteak; eskuinean, elektroi-hutsune edo -zulo bikotea banda-teoriaren arabera

Zehatzago begiratuta, banden arteko elektroi-trukatze etengabe horretan, elektroi bat gatibu egotetik aske egotera igarotzen denean, eroapen-bandan ‘-e’ kargadun partaide berria ez ezik, balentzia-bandan elektroiak utzitako hutsunea edo zuloa ere izango dugu: horixe da elektroi-hutsune edo -zulo bikotearen sorrera. Baina, hutsune hori balentzia-bandako beste elektroi batek bete dezake, betiere lehengo kokapena utziz, eta horixe egingo du horretara behartuz gero —adibidez, kanpoko eremu elektriko batek—. Jokabide hori hedatuta, hots, balentzia-bandako elektroiek batak bestearen hutsunea hartuta, hutsune-korrontea izango dugu. Benetan, higitu, ‘-e’ kargadun elektroiak higitzen dira (eremuaren kontra), baina abstrakzio lagungarria da ‘+e’ kargadun hutsuneen higidura gertatzen dela jotzea (eremuaren alde) eta hutsuneak eramaile asketzat hartzea. Zer esanik ez, elektroiak aske egotetik gatibu egotera ere igarotzen dira; horrelakoetan, eramaile aske bi galtzen dira, igarotze horretan elektroi aske batek hutsune baten lekua hartzen baitu; horixe da elektroi-hutsune bikotearen birkonbinazioa.

Energia-balantzeari dagokionez, elektroi-hutsune bikotearen sorrera gauzatzeko, energia behar da, eta, birkonbinazioa gertatzean, energia askatzen da. Gehienetan, berotan eskuratzen edo askatzen da, baina zati bat argi (fotoi) modura ere truka daiteke.

BEREZKO IZAERA ERALDATZEA

Oro har, elektroiak eta hutsuneak bikoteka doazenez, besterik egin ezean, erdieroaleek elektroi bezainbeste hutsune dauzkate. Naturan izaera horretan daudenez, berezko erdieroale (edo erdieroale intrintseko) deritze. Alabaina, aplikazio gehienetarako, erdieroale estrintsekoak dira beharrezko; nagusiki, elektroi (askedun) edo nagusiki hutsunedunak direnak. Hurrenez hurren, n motako erdieroale eta p motako erdieroale deritze, euren eramaile maioritarioak karga negatibodunak edo positibodunak direlako; hortaz, nagusi ez direnei eramaile minoritario deritze. Sarritan, p eta n motako erdieroale bi elkarren ondoan jartzen dira; horrelakoetan, geruza bi horien elkarguneari p-n juntura deritzo.

Erdieroale intrintsekoa estrintseko bihurtzeko, barrenetan atomo arrotzak, hots, ezpurutasunak sarrarazi behar zaizkio: elektroiak gehitzeko, delako erdieroalea baino talde atomiko handiagoko atomoak; hutsuneak gehitzeko, aldiz, talde atomiko txikiagokoak. Silizioari, esate baterako, fosforoa (n motakoa bihurtzeko) edo aluminioa (p motakoa bihurtzeko) sarraraz dakizkioke. Sarraraztea bera egiteko moduari dagokionez, teknologia oso aurreratuta dago, eta geroz eta prozedura zehatzagoak, samurragoak, merkeagoak, azkarragoak eta abar daude aukeran.

GAILU ELEKTRONIKOAK

Erdieroale estrintsekoak oinarri harturik, hiru gailu-familia nagusi egiten dira: diodoak, transistoreak eta tiristoreak. Diodo sinpleenak geruza biz (beraz, juntura batez) osatuta daude, eta artezle-izaera dute; hau da, euren baitatik, noranzko batean ibiltzen uzten diote korronteari (p geruzatik n geruzara), ez, ordea, bestean (n geruzatik p geruzara). Hala ere, kasu berezi bitan, artezle-izaera baino, argi ikusgaiaren esku-hartzea da aipagarriago: batetik, diodo argi-igorleak (LED) argia igortzen du korrontea dabilenean; bestetik, zelula fotovoltaikoak, argiak bere gainean jotzen duenean, korrontea sortzen du (norantz eta n-tik p-rantz!).

Diodoak: a) artezle arrunta; b) argi-igorlea; c) zelula fotovoltaikoa

Transistore sinpleenak hiru geruzaz (beraz, juntura biz) osatuta daude, eta seinale elektrikoak balioz handitzeko (anplifikatzeko) erabiltzen dira, baita solido-egoerako sakagailu modura jarduteko ere; hots, terminal biren arteko korronteari ibiltzen uzteko edo ez uzteko, hirugarren seinale (korronte edo tentsio) batek une oro agindutakoaren arabera. Gailu-mota horren garrantziaren erakusle, 1956ko Fisikako Nobel saria daukagu, familiako kide gehienetan (transistore bipolarretan, batez ere) gertatzen den transistore-efektua aditzera emateagatik emandakoa, hain zuzen.

Tiristore sinpleenak lau geruzaz (beraz, hiru junturaz) osatuta daude, eta solido-egoerako etengailu-zereginetan erabili ohi dira; hots, transistoreen antzera, baina desarradunak dira: korrontea ibiltzeko, nahikoa dute baimen-agindua unetxo batez aktibatzea; ez baitzaio aginduari eutsi behar korrontea ibili dabilen bitarte guztian.

ZIRKUITU INTEGRATUAK

Aplikazio frankotarako, arestian aipatutako gailuak —transistoreak, bereziki— era jakin batzuetan konektatu behar dira elkarrekin, nolabaiteko talde-lanean jarduteko. Hortaz, ekoizteko prozesua, transistoreak fabrikatzeko ez ezik, kasuan kasuko elkarren arteko konexio horiek ere gauzatzeko baliatzen da; zer esanik ez, horretarako teknologia aski garatuta dago. Gauzak horrela, amaierako produktuak ez dira gailu bakunak, zirkuituak baizik, eta zirkuitu integratu deritze.

Adibidez, seinaleak anplifikatzeko transistore bakunak erabil daitezkeen arren, askoz ere praktikoagoa da hainbat (hogei edo) transistorez osatutako anplifikadore operazional direlako zirkuitu integratuak aukeratzea, oinarrizko pieza gisa. Izan ere, irabazi oso-oso handiak dauzkaten arren (behe-maiztasunetan), nahierara molda ditzakegu euren ezaugarriak, berrelikadura negatiboaren laguntzaz. Praktikan, erresistore edota kondentsadore banaka batzuk besterik ez dira behar anplifikadore operazionalaren inguruan; hala ere, euren erresistentzia- edota kapazitate-balioak tentuz hautatu behar dira.

Anplifikadore operazional tipikoak. Hanken aldeen luzera: ≈ 10 mm (ezkerrekoa) eta ≈ 5 mm (eskuinekoa)

Argi dago, beraz, gailu bakunak eta zirkuitu integratuak (baita bestelako batzuk ere: erresistoreak, kondentsadoreak, transformadoreak…) elkarrekin egokiro konektatuz gero, zirkuitu konplexuagoak era daitezkeela. Ildo horretatik, erdieroaleetan oinarritutako osagaiak nagusi dituzten zirkuituei zirkuitu elektroniko deritze, eta direlako osagai horiei osagai elektroniko ; bereziki, zirkuitutik begiratuta, gailu bakunei osagai [elektroniko] diskretu eta zirkuitu integratuei osagai [elektroniko] integratu deritze.

ELEKTRONIKA ARLOAK ETA APLIKAZIOAK

Zirkuitu elektronikoak ere hiru familiatan bereizi ohi dira. Zirkuitu [elektroniko] analogikoetan, ibiltzen diren seinaleak balio errealdunak dira (edozein balio har dezakete); hala ere, seinaleen energia-maila aintzat hartu behar denean, energia-etekina garrantzitsua delako edo energia aldetik arretaren bat eskatzen dutelako, potentziako zirkuitu [elektroniko] izendapena hobesten da. Zirkuitu [elektroniko] digitaletan, bestalde, seinaleek balio jakin batzuk (normalean, bi: seinale bitarrak) besterik ezin dituzte hartu (asmo horrekin gauzatzen dira, behinik behin). Halaber, zirkuituok diseinatzea, gauzatzea, aztertzea, merkaturatzea… ardura duten elektronikaren arloei elektronika analogiko, potentziako elektronika eta elektronika digital deritze, hurrenez hurren.

Zer esanik ez, sarritan hiru familiotako zirkuituak elkarren ondoan aritzen dira elkarlanean, zeregin konplexuagoak dituztelako edota batak bestearen beharra daukalako; adibidez, zirkuitu digitalek elikatzeko tentsio elektriko zuzena behar dutenez, elikatze-iturri deritzon potentziako zirkuitua izan ohi dute lagun, argindar-sareak ematen duen tentsioa egokitzeko.

Zirkuitu elektroniko tipiko bat. Osagai integratu eta diskretuak ditu, eta propio diseinatutako konexioak dauzkan xafla baten gainean ezarrita dago

Elektronika digitalak garapen handia izan du azken urteotan. Izan ere, transistoreek korrontea ibiltzen uzteko edo eteteko daukaten gaitasuna oso erabilgarri gertatzen da seinale bitarrak prozesatzeko. Beraz, transistoreak oso egokiak dira kode bitarren bidez adieraz daitekeen informazioa kudeatzeko, batez ere talde-lanean aritzen direnean, zirkuitu integratuetan. Hortaz, eragiketa matematiko sinpleenetatik hasi (poltsikoko kalkulagailuak) eta datu-bilduma handiak gordetzeraino (ordenagailuen atalak) edota transmititzeraino (Interneterako azpiegitura), aplikazio-esparru zabal-zabala daukate gaur egun osagai integratudun zirkuitu (elektroniko) digitalek.

Hala ere, potentziako elektronika ez da ahaztu behar, energia-iturri berriztagarrien eraginez loraldi aipagarria bizi baitu aspaldi honetan; izan ere, aerosorgailuetatik edota panel fotovoltaikoetatik eskuratzen den energia elektrikoa ez dago besterik gabe argindar-sarera txertatzeko moduan; nahitaezkoak diren egokitze-lanetarako dauzkagu, adibidez, inbertsoreak.

Azkenik, azpimarratzekoa da elektronika analogikoak neurgailugintzan (instrumentazioan) daukan garrantzia. Gaur egungo neurgailurik gehienek elektronika dute oinarri. Esate baterako, fruta, barazkiak edo gu geu pisatzeko, pisu elektronikoak erabiltzen ditugu, garai bateko pisu mekanikoen ordez. Horrelakoetan, lehen-lehenik, sentsore delakoak neurtzea helburu dugun magnitudearen balioaren araberako seinalea eskaintzen du, izaera elektrikokoa bera (tentsioa, korrontea, erresistentzia…). Magnitude-balio horiek analogikoak direnez (eskala makroskopikoan bai, behintzat), seinale elektrikoa ere analogikoa da, eta hori atontzeko zirkuitu (elektroniko) analogikoak behar dira.