I semiconduttori

Prima di introdurre il concetto di semiconduttore e il suo funzionamento, descriviamo brevemente la struttura dell’atomo.

Cenni sulla struttura dell’atomo

L’atomo è costituito da una regione centrale detta nucleo, carica positivamente e dove è concentrata tutta la massa, e degli elettroni che ruotano intorno ad esso. Il centro dell’atomo è composto da protoni (cariche positive) e neutroni (cariche neutre). Nel complesso l’atomo risulta essere elettricamente neutro in quanto la carica positiva dei protoni è bilanciata dalla carica negativa degli elettroni. In un atomo sono contenuti tanti protoni quanti sono gli elettroni. Questi ultimi orbitano intorno al nucleo, e queste orbite sono disposte su piani diversi; le orbite sono chiamate strati. Le forze che governano l’atomo sono di origine elettrica. Dobbiamo, inoltre, sottolineare il fatto che l’atomo ha degli spazi vuoti che intercorrono fra il nucleo e gli elettroni. Lo strato più esterno è detto strato di valenza. Se tale strato è al completo l’atomo risulta inerte, altrimenti se mancano alcuni elettroni l’atomo tende a riempire lo strato di valenza per raggiungere l’equilibrio elettronico.

Livelli d’energia

Come già detto gli elettroni si trovano su orbite ben determinate, ognuna delle quali corrisponde a valori di energia ben precisi, detti livelli di energia. Quindi possiamo associare all’atomo quantità discrete di energia. L’elettrone se è nell’orbitale di competenza non emette radiazione e si trova in uno stato stazionario. Ma esso può passare ad uno strato più interno o uno più esterno, questo fenomeno avviene solo se dall’esterno gli viene fornita energia dall’esterno; in questo caso l’atomo si dice eccitato. Tale energia è discreta e viene misurata in quanti. Quest’ultimo rappresenta la più piccola quantità di energia che è possibile scambiare in questi salti di strato. Normalmente l’eccitazione dell’atomo dura poco, perché lo stesso elettrone tende a ritornare nella sua posizione originaria. Cosi l’atomo restituisce i quanti di energia assorbiti sotto forma di radiazioni, cioè di luce.

Conducibilità elettrica dei materiali

La materia presenta varie caratteristiche chimico-fisiche, in quest’articolo tratteremo della conducibilità elettrica, cercando di evidenziarne l’aspetto chimico. Un materiale si può definire isolante, conduttore o semiconduttore, in base al concetto di bande di energia. Per analizzare bene queste bande di energia bisogna precisare che gli elettroni in un reticolo cristallino possiedono livelli di energia differenti da un singolo atomo. Gli elettroni più esterni, pertanto, saranno soggetti alle forze dei campi elettrici degli atomi vicini. Si ha come risultato la formazione di bande di livelli energetici. Quest’ultime possono classificarsi come:

• Bande di conduzione,
• Bande proibite,
• Bande di valenza.

Ora introduciamo meglio il concetto d’isolante, conduttore e per finire quello del semiconduttore.

Isolante

Negli isolanti la banda di conduzione e quella di valenza sono separate dalla banda proibita. L’energia E che per superare questa banda è nell’ordine di 5-10 eV.

Conduttore

In questo caso la banda proibita non c’è, infatti, la banda di conduzione e di valenza sono in contatto e in certi casi anche parzialmente sovrapposte. Nei conduttori la conducibilità aumenta col diminuire della temperatura, quindi tra queste due grandezze esiste una proporzionalità inversa.

Semiconduttori

I materiali semiconduttori hanno una banda proibita assai piccola, che può essere superata con un energia di 1eV. Al contrario dei conduttori all’aumentare della temperatura aumenta, e non diminuisce la loro conducibilità. A basse temperature un materiale semiconduttore assomiglia a un materiale isolante, mentre a temperature relativamente alte (anche quell’ambiente) egli assume caratteristiche di un materiale conduttore. I materiali semiconduttori più noti sono il silicio e il germanio, sono sostanze tetravalenti (mettono a disposizione per i legami 4 elettroni). Il modulo di base del reticolo cristallino è formato da cinque atomi di cui quattro ai vertici e il quinto al centro di un tetraedro regolare. I legami che si stabiliscono fra gli atomi del reticolo cristallino, sono di tipo covalente. Alla temperatura di 0 ºK la struttura del silicio si presenta come precedentemente descritta, e il suo cristallo si comporta come isolante. A una temperatura ambiente 300 ºK, alcuni elettroni, sotto effetto dell’energia termica rompono alcuni legami che li legano agli atomi e attraversano la banda proibita per giungere a quella di conduzione vuota. Tal energia per il silicio è circa 1,1 eV per il germanio è di 0,72 eV. Il numero di questi elettroni liberi aumenta all’aumentare della temperatura. Dopo la rottura di questo legame si avrà un elettrone libero (carica negativa) e un “buco”, lasciato da questo elettrone, detto lacuna (carica positiva). All’interno del cristallo ogni elettrone libero andrà a coprire la lacuna lasciata dall’elettrone vicino. Il cammino degli elettroni risulterà, quindi, contrario al movimento delle lacune, perciò si può affermare che la conduzione ha un carattere bipolare. In conduzione di equilibrio e a temperatura costante il ritmo di produzione delle coppie è uguale al loro rito di ricombinazione.

Semiconduttori drogati

Per aumentare le prestazioni elettriche di un semiconduttore, si usa una tecnica chiamata drogaggio. Esistono due tipi di semiconduttori drogati: tipo N o tipo P.

Drogaggio tipo N

Introduciamo all’interno del silicio puro degli atomi d’impurità, senza modificare il reticolo cristallino. Nei drogaggi di tipo N gli atomi che si usano hanno cinque elettroni nel livello più esterno come ad esempio l’arsenico; ciascuno di essi prende il posto del silicio e stabilisce legami covalenti con gli atomi di silicio che ha vicino. Dell’arsenico solo quattro elettroni saranno impiegati nei legami, il quinto invece sarà libero per la conduzione, e per attivarlo avrà bisogno di meno energia perché non impegnato in alcun legame. Un semiconduttore di questo tipo si da il nome di semiconduttore di tipo N oppure Si-N. l’atomo d’arsenico viene chiamato atomo donatore. Con una maggiore presenza di elettroni diminuisce il tempo di ricombinazione fra le lacune egli elettroni.

Drogaggio tipo P

Se aggiungiamo al silicio atomi trivalenti come l’alluminio, possiamo parlare di semiconduttore drogato di tipo P oppure Si-P. I tre elettroni degli atomi di impurità non completano tutto l’orbitale esterno dell’atomo di silicio che si sono legati, perciò quest’ultimo prenderà un elettrone da un altro atomo di silicio, lasciandolo con una lacuna, anche questo atomo farà la stessa cosa di quello precedente cosi da creare un eccesso di lacune. l’atomo d’alluminio viene chiamato atomo accettore. L’energia di ionizzazione è poco più alta rispetto a quella di Si-N.

Mobilità e conducibilità nei semiconduttori

Dalla divisione delle coppie elettrone-lacuna si generano un elettrone libero (carica negativa) e una lacuna (carica positiva ). Sotto l’azione di un campo elettrico esterno, gli elettroni e lacune acquistano una velocità di deriva proporzionale al campo elettrico, detta mobilità degli elettroni e delle lacune. Queste particelle si muovo, per effetto del campo elettrico, in direzione opposta, ma essendo di segno contrario danno luogo a correnti concordi. Inoltre definiamo la conducibilità di un semiconduttore la somma delle concentrazioni degli elettroni e delle lacune. Va sottolineato il fenomeno per cui la conducibilità aumenta di circa l’8% per ogni grado di aumento della temperatura. La resistività invece si abbassa con l’aumentare della temperatura.

Giunzioni P-N

Una barretta di semiconduttore drogato in P o in N da sola non ha molta utilità, perciò dobbiamo introdurre il concetto della giunzione P-N. Per formare una giunzione di questo tipo basta unire le due barrette di Si-P e Si-N, attraverso tale giunzione si ha una diffusione spontanea della lacune verso Si-N, e gli elettroni verso Si-P, neutralizzandosi nel punto della giunzione . In questa zona si viene a generare un campo elettrico che impedisce l’ulteriore diffusione delle cariche mobili. Le lacune del Si-P sono ostacolate nel loro moto verso il Si-N dalle sue lacune, stessa cosa vale per gli elettroni che migrano dal Si-N verso il Si-P. Si crea quindi una regione nella giunzione, vuota di cariche mobili detta regione di carica spaziale ,con un spessore nell’ordine dei micron. Ricordiamo che nel Si-P ci sono gli elettroni di origine termica, e per lo stesso motivo nel Si-N sono presenti le lacune. Queste cariche minoritarie, la cui concentrazione è uniforme. La regione di carica spaziale viene facilmente superata dagli elettroni che si spostano da punti di potenziale minore a quello maggiore, e anche le lacune fanno la stessa cosa.

Akira