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Materiali Semiconduttori

I circuiti elettrici sfruttano, per il loro funzionamento, il movimento delle cariche elettriche comprese nella struttura atomica della materia. Per comprendere il diverso comportamento dei vari materiali è opportuno conoscere la loro struttura fisica.
Sappiamo che gli atomi sono costituiti da un nucleo e da un numero variabili di elettroni periferici, distribuiti su varie orbite (K, L, M) disposte a strati successivi.

modello dell'atomo di

Il nucleo, carico positivamente, è formato da protoni e neutroni e comprende pressoché tutta la massa atomica. Gli elettroni periferici, a carica negativa, sono di massa trascurabile (0,91 x 10-30 kg) ed in numero tale da compensare esattamente la carica positiva del nucleo; in questo modo l'atomo risulta globalmente neutro. Nella figura è rappresentato schematicamente il modello dell'atomo di azoto.

A seguito delle interazioni energetiche è possibile che uno o più elettroni sfugga dall'atomo; quando ciò accade l'atomo, privo di alcuni elettroni, assume carica positiva e si dice ionizzato.
Gli elettroni sfuggiti rappresentano cariche libere negative e costituiscono le particelle elementari responsabili dei fenomeni elettrici. Secondo un modello atomico elementare si ammette che gli elettroni si distribuiscono attorno al nucleo su strati discreti, ciascuno dei quali, eccettuato il primo, ne può contenere al massimo 8.

Accade perciò che nella successione degli elementi con numero di elettroni gradualmente crescente (tabella periodica o di Mendeleev) quelli che presentano lo strato esterno saturo, cioè comprende 8 elettroni, si dimostrano particolarmente stabili. Tali elementi, privi di cariche libere, sono la base costitutiva dei materiali isolanti.

Al contrario, gli elementi con uno o pochi elettroni periferici presentano l'attitudine a perdere facilmente elettroni, producendo così cariche libere; questi elementi ricchi di cariche libere sono i conduttori.

Gli elementi semiconduttori

Accanto ai materiali conduttori e isolanti, esiste un altro gruppo di elementi, detti semiconduttori, che si distinguono per il fatto di possedere una struttura cristallina stabile ottenuta grazie all'affiancamento di atomi aventi 4 elettroni sull'orbita esterna.

Per effetto della contiguità dei cristalli, gli elettroni periferici vengono a trovarsi in comune, formando una corona ad ottetto, che sappiamo essere una condizione di stabilità. La struttura così formata è compatta, gli atomi componenti sono solidali fra loro e le cariche periferiche sono tenute in sito per azione di mutua coesione; questo legame prende il nome di omopolare o covalente. I materiali che si prestano alla formazione di elementi semiconduttori sono essenzialmente due: il germanio (Ge) e il silicio (Si), entrambi appunto con l'orbita atomica esterna comprende 4 elettroni.

Le caratteristiche strutturali e fisiche dei due elementi sono indicate nella tabella si osserva come il Silicio abbia una conducibilità intrinseca molto inferiore e per questo sopporta temperature relativamente più elevate.

 

Ge

Si

numero atomico

32

14

peso atomico

72.6

28.1

energia di legame

0.67 eV

1.1 eV

resistività

60 Ωcm

60 103Ωcm

In una rappresentazione puramente simbolica, il Si presenta un nucleo con carica +14, attorniato da 14 elettroni disposti in orbite successive K,L,M, come indicato nella figura sottostante. Agli effetti dei legami con gli altri atomi, solo l'orbita esterna, (M) prende parte al fenomeno, mentre il complesso interno, di carica complessiva +14-(2+8) = +4, rimane rigido.
In senso equivalente perciò il Silicio si può rappresentare secondo un nucleo interno di carica +4 provvisto di quattro elettroni periferici.

MODELLO COMPLETO ATOMO DI SILICIO

Nella realizzazione dei vari dispositivi a semiconduttore (implementazione circuitale) viene ormai impiegato esclusivamente il silicio. La struttura stabile di un elemento semiconduttore potrà essere rappresentata come nella fig. seguente; la prossimità degli atomi nel reticolo cristallino produce, con un legame covalente, la comunanza degli elettroni tendenti a formare l'oggetto. La perfetta posizione degli atomi a struttura tetraedrica conferisce perciò al semiconduttore la relativa stabilità di cui gode.

MODELLO DI STRUTTURA A SEMICONDUTTORE

modello di una struttura a semiconduttore.

Semiconduttore intrinseco

Se la struttura cristallina ipotizzata fosse ideale, l'elemento considerato non avrebbe cariche libere, sarebbe cioè un isolante perfetto. Accade invece che, poiché l'energia del legame è molto bassa 0.7 ÷1,2 eV, per effetto termico si ha la rottura di alcuni legami.
Quando questo accade, alcuni elettroni sfuggono dal reticolo in cui sono inseriti divenendo cariche negative libere e lasciando la loro sede vacante; tale sede prende il nome di lacuna.
Il numero delle cariche libere è strettamente dipendente dalla temperatura e in equilibrio statistico con essa nel senso che a volte sia una ricombinazione di cariche in una zona,compensata da una rottura in un'altra in modo da mantenere inalterato il numero totale di cariche libere.
L'aumento della conducibilità intrinseca è molto importante perché costituisce elemento di disturbo e, tal volta di danno nei riguardi del funzionamento corretto dei dispositivi a semiconduttore.
Una costante preoccupazione sarà quella di limitarne gli effetti termici con opportuni provvedimenti circuitali.

E' consuetudine parlare di lacune come di cariche positive consistenti, immaginando cioè che per agitazione termica si formino coppie elettrone-lacuna, ovvero cariche libere sia negative che positive; da un punto di vista formale ciò è perfettamente ammissibile e seguiremo questo modo di esprimersi, attribuendo alle lacune ovviamente la stessa carica dell'elettrone, ma di segno positivo.
Tenuto conto che le cariche libere, a temperatura ambiente, sono enormemente minori di quelle presenti in un conduttore metallico, l'elemento in esame si comporta da cattivo conduttore o, se si vuole mettere in rilievo anche questo aspetto, da cattivo isolante; ciò spiega il fatto che il semiconduttore non presenta alcun interesse per l'impiego nei circuiti elettrici tipici.
Come detto, la rottura dei legami covalenti è direttamente influenzata dalla temperatura, per questo il numero di cariche libere dipenderà fortemente da essa, e così la conducibilità del materiale.

Semiconduttore estrinseco di tipo n

Si abbia una barretta di silicio monocristallino nella quale sia stata incorporata preventivamente ed in modo uniforme, una piccola quantità di un elemento pentavalente, ad esempio fosforo, arsenico, antimonio, nella proporzione 1 a 107.
Data l'esiguità relativa dell'elemento estraneo aggiunto, la struttura cristallina assumerà sempre l'aspetto compatto e stabile dovuto all'assetto degli atomi di silicio; si potrà notare solo qua e là un atomo anomalo che di fatto dovrà inglobarsi nella struttura, producendo un'isola di discontinuità.
L'elemento pentavalente aggiunto è detto drogante, possiede 5 elettroni periferici e una carica +5, equivalente alla parte stabile sottostante. La presenza del drogante viene a produrre due fatti sostanziali :
1) nell'adattarsi alla struttura cristallina dominante del silicio l'atomo drogante potrà collocare solo 4 dei suoi elettroni periferici per forare l'ottetto, mentre il quinto verrà rifiutato e costituirà necessariamente una carica negativa libera:
2) in conseguenza del fatto che il nucleo convenzionale dell'atomo drogante ha carica +5=+4+1, presenterà un'eccedenza di carica positiva fissa rispetto agli atomi di silicio adiacenti.

per effetto del drogaggio con elemento pentavalente il semiconduttore perciò acquisisce :
-cariche elettriche libere (elettroni)
-cariche positive fisse (ioni)
entrambe in numero complessivo pari al numero degli atomi di drogante immessi; tali atomi sono detti donatori.
Il semiconduttore drogato di questo tipo prende il nome di semiconduttore di tipo n.
Premesso che le cariche positive e negative sono in ugual numero, il semiconduttore è, nel suo complesso neutro.
Le cariche negative però, essendo libere potranno essere soggette a spostamento e rappresentare presupposto per lo stabilirsi di una corrente elettrica .
Il drogaggio del semiconduttore con apporto di cariche libere di un solo tipo qui n, ha l'effetto di modificare sostanzialmente l'equilibrio interno . Infatti, poiché gli elettroni apportati dal drogaggio sono in numero maggiore rispetto alle cariche libere intrinseche; si verificano due fatti sostanziali:

1)le cariche negative libere complessive diverranno preponderanti
2)le lacune che il semiconduttore possedeva si ridurranno drasticamente per effetto della maggior massa di elettroni che le può compensare.

le cariche n, elettroni prendono il nome di maggioritarie.
le cariche p, lacune prendono il nome di minoritarie.

La corrente che viene a prodursi nella barretta per effetto di un campo elettrico sarà praticamente dovuta alle sole cariche maggioritarie.

Semiconduttore estrinseco tipo p

La trattazione di questo tipo di semiconduttore scorre in perfetta analogia con quella del tipo n e si ottiene un elemento con caratteristiche duali.
Si abbia una barretta di Si monocristallino nella quale sia stato incorporato preventivamente ed in modo uniforme, una piccola quantità di elemento trivalente, ad esempio alluminio, gallio, indio, nel rapporto 1 a 107.
L'elemento trivalente aggiunto possiede 3 elettroni periferici e una carica equivalente alla parte stabile sottostante pari a +3. La presenza del drogante viene a produrre i seguenti fatti:

1) nell'adattarsi alla struttura cristallina dominante del silicio, l'atomo drogante metterà a disposizione i suoi 3 elettroni periferici sicché, si sarà formata una carica libera positiva, o lacuna;
2) in conseguenza del fatto che il nucleo convenzionale dell'elemento drogante ha carica +3 = +4 -1, presenterà una carenza di carica positiva ovvero un'eccedenza di carica negativa fissa rispetto agli atomi di silicio adiacenti.

Per effetto del drogaggio con elemento trivalente, il semiconduttore perciò acquisisce :

-cariche positive libere (lacune);
-cariche negative fisse (ioni);

entrambe in numero complessivo pari al numero degli atomi di drogante immessi: tali atomi sono detti accettori.
Il semiconduttore drogato di questo tipo prende il nome di semiconduttore tipo p.
Premesso che le cariche positive e negative sono in egual numero, il semiconduttore è, nella sua globalità neutro.
Le cariche positive però, essendo libere, potranno essere soggette a spostamento e rappresentare presupposto per lo stalibirsi di una corrente elettrica.
Per le stesse ragioni richiamate per il semiconduttore n, nel semiconduttore tipo p:

-le cariche p, lacune, prendono il nome di maggioritarie;
-le cariche n, elettroni, prendono il nome di minoritarie;

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