Semiconduttori Ge e Si. I semiconduttori sono elementi collocati nella serie periodica in posizione
intermedia fra i conduttori e gli isolanti. Questa loro attitudine deriva dalla struttura atomica, che presenta costantemente
un'orbita periferica provvista di quattro elettroni. Grazie a tale costituzione si stabilisce una struttura cristallina tetraedrica
a reticolo discretamente stabile. Ogni atomo si colloca in una disposizione a matrice in modo da essere affiancato da quattro altri
atomi. Ne condivide, in tal modo, gli elettroni periferici che, tendendo a formare una corona ad ottetto, ne assicurano la stabilità.
Il legame che si forma in tal modo fra i vari atomi prende il nome di legante omopolare o covalente.
Come abbiamo detto, il legame covalente e relativamente stabile. Risente tuttavia fortemente della temperatura che, incrementando
l'agitazione termica, fornisce ad un certo numero di elettroni energia sufficiente (0,7- 1,2 eV) a balzare dalla banda di valenza alla
banda di conduzione. Si stabilisce così una conducibilità propria del semiconduttore che prende il nome di conducibilità intrinseca.
Le cariche in tal modo liberate prendono il nome di cariche minoritarie.
Il numero di cariche libere è strettamente dipendente dalla temperatura e in equilibrio statistico con essa: nel senso che, a volte, si
ha una ricombinazione di cariche in una zona, compensata da una rottura in altra zona, in modo da mantenere inalterato statisticamente
il numero di cariche libere.
L'aumento della conducibilità intrinseca è molto importante perché costituisce elemento di disturbo e, talvolta, di danno nei riguardi
del funzionamento corretto dei disponitivi a semiconduttore. Una costante preoccupazione sarà quella di limitarne gli effetti con
dispositivi circuitali adatti.
1 semiconduttori più adatti per la formazione di dispositivi elettronici sono il germanio e il silicio.
Caratteristiche a 300 K
numero atomico
peso atomico
energia di legame
resistività
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Ge
32
72,6
0,67 eV
60 Ω cm
|
Si
14
28,1
1,1 eV
60 103 Ω cm
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Si osserva subito come il silicio (Si) abbia una conducibilità intrinseca molto inferiore e per questo sopporta temperature relativamente
più elevate.
In una rappresentazione puramente simbolica, il Si presenta un nucleo, con carica ÷14, attorniato da 14 elettroni disposti in
orbite successive K-L-M secondo quanto indicato in figura003.
Agli effetti dei legami con gli altri atomi, solo l'orbita esterna (qui per Si è la M) prende parte al fenomeno, mentre il complesso
interno, di carica complessiva ÷14-(2-8)=÷4, rimane rigido. In senso equivalente perciò il Si si può rappresentare secondo
un nucleo interno
di carica ÷4 provvisto di quattro elettroni periferici di valenza.
Fig.003. Sopra:modello dell'atomo di silicio: a) completo; B) scmplifcato.
In modo analogo, per il Ge, possiamo considerare una struttura equivalente perfettamente identica. La differenza consiste nella
formazione della carica interna, che per il Ge e di ÷32-28=÷4.
Agli effetti del comportamento di questi atomi nella formazione dei componenti elettronici, non esiste differenza alcuna. per cui
quanto detto per il Si potrà considerarsi valido per il Ge. La differenza è solo di ordine quantitativo.
La struttura stabile di un elemento semiconduttore potrà essere rappresentata come in Fig. 004.
Sopra: modello di una struttura a semiconduttore.
La prossimità degli atomi nel reticolo
cristallino produce, come detto, la comunanza degli elettroni tendenti a formare l'ottetto. La perfetta giusta posizione degli atomi
a
struttura tetraedrica conferisce al semiconduttore la relativa stabilità di cui code. Tale stabilità può essere rotta solo per forti
campi elettrici.
In condizioni di temperatura ambiente, i legami covalenti che si spezzano sono percentualmente molto pochi, per cui la
conduci- bilità intrinseca è estremamente bassa.
Semiconduttori n
Se nella formazione di un semiconduttore si incorpora, in modo finemente disperso, un elemento pentavalente (fosforo, arsenico,
antimonio)
a concentrazione molto bassa (ˆ 1/107 ), accade che. nel reticolo cristallino, si producono
punti singolari.
La struttura tetraedrica del semiconduttore, dominante, incorpora di forza un atomo pentavalenle al posto di uno tetravalente.
Tenendo conto che un atomo pentavalente può considerarsi a struttura equivalente con nucleo ÷5 e cinque elettroni periferici.
Si
osserva che tale atomo costituisce una anomalia. Esso tende ad adattarsi alla struttura rigida imposta dagli atomi tetravalenti
nel solo modo possibile: trattiene quattro dei suoi cinque elettroni periferici a formare l'ottetto, mentre il quinto elettrone
eccedente, anomalo per la struttura, rimane libero.
Fig.005 Modello di una struttura a semiconduttore drogata con elemento pentavalente: semicondanurc n.
E per ogni atomo pentavalente incorporato vi è un elettrone libero. così che il semiconduttore di base presenta ora un elevato numero
di cariche libere negative. Queste cariche sono dette maggioritarie.
La conducibilità che ne deriva si chiama conducibilità estrinseca ed è dipendente dalla percentuale di elemento drogante
incorporato.
L'ordine di grandezza della resistività scende a valori bassi, dell'ordine di 1 Ωcm.
I1 numero di cariche maggioritarie, dipendente dalla concentrazione di drogante, non dipende perciò in alcun modo dalla temperatura.
Ritornando ora alla zona anomala, si riscontra che la parte centrale dell'elemento pentavalenie, a carica ÷5, (÷4 ÷1), che
si trova costretta in posizione fissa, non è in equilibrio elettrico.
Infatti, mentre la parte ÷4 satura l'equilibrio, la carica ÷1 costituisce eccedenza non compensata. Cosi, in sostanza,
l'immissione di elemento pentavalente nel semiconduttore provoca un assetto della struttura con
- cariche positive fisse,
- cariche negative libere.
Sopra: Fig.005 rappresentazione schematica di un semiconduttore di tipo n.
Le cariche sono ovviamente in pari numero, sicché l'elemento è, nella sua globalità, ancora neutro. Le cariche negative però, in quanto
mobili, potranno essere soggette a spostamento e rappresentare presupposto per la formazione di una corrente elettrica. L'elemento cosi
drogato prende il nome di "semiconduttore n".
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Semiconduttori p
Se nella formazione di un semiconduttore si incorpora, in modo finemente disperso, un elemento trivalente (alluminio, gallio, indio) a
concentrazione molto bassa (≈ 1/107), avtrmo che, nel reticolo cristallino, si producono punti
singolari.
La struttura del semiconduttore, dominante, incorpora di forza un atomo trivalente al posto di uno tetravalente.
Tenendo conto che un atomo trivalente può considerarsi a struttura equivalente con nucleo ÷3 e tre elettroni periferici, si osserva
che
tale atomo costituisce una anomalia. Esso tende ad adattarsi alla struttura rigida imposta dagli atomi tetravalenti nel solo modo
possibile: lega i suoi tre elettroni periferici.
Si può così notare come, per formare l'ottetto che rappresenta un assetto stabile, vi sia la carenza di un elettrone. In altri termini
esiste una lacuna.
La struttura perciò tenderà a colmare detta lacuna, appena ne abbia la possibilità, catturando un eventuale elettrone libero proveniente
da altra zona Questi però avrà abbandonato la sua posizione originaria lasciandovi a sua volta una lacuna, cosicché, agli effetti globali,
sarà come se si fosse spostata la lacuna da un punto ad un altro.
A questo fatto si dà un'immagine equivalente, pratica e comoda, dando corpo alla lacuna e indicandola conte carica positiva mobile.
E per ogni atomo trivalente incorporato vi è quindi una lacuna libera, così che il semiconduttore di base presenta ora un elevato
numero di cariche positive libere, dette cariche maggioritarie.
Fig.007.: modello di una struttura a semiconduttore drogato con elemento trivalente: semiconduttore di tipo p.
Sopra: Fig.008.: rappresentazione schematicsa di un semiconduttore fi tipo p.
Come nel caso del semiconduttore n, la conducibilità che ne deriva è detta conducibilità estrinseca e risulta molto più alta di
quella
del semiconduttore puro. La resistività scende a valori dell'ordine di 1 Ω cm.
Ritornando ora alla zona anomala, si riscontra che la parte centrale dell'elemento trivalente, a carica ÷3, (÷4-÷1), che
si trova
costretta in posizione fissa, non è in equilibrio elettrico.
Infatti, mentre la parte ÷4 satura l'equilibrio, la carica -1 costituisce eccedenza non compensata. Così, in sostanza, l'immissione
di elemento trivalente nel semiconduttore provoca un assetto della struttura con
- cariche negative fisse,
- cariche positive mobili.
Le cariche sono ovviamente in pari numero, sicché l'elemento e. nella sua globalità, ancora neutro. Le cariche positive però. in quanto
mobili, potranno essere soggette a spostamento e rappresentare presupposto per la formazione di una corrente elettrica. L'elemento così
drogato prende il nome di semiconduttore p.
La giunzione pn
Supponiamo di porre a contatto diretto, attraverso una superficie, due semiconduttori drogati di tipo opposto p e n. Nel tentativo di
produrre una distribuzione uniforme di cariche entro lo spazio disponibile, avverrà che attraverso la superficie di contatto si avrà
la diffusione spontanea delle cariche libere, quelle negative verso p e quelle positive verso n. Con maggiore proprietà si dovrebbe dire
che parte delle cariche negative del semiconduttore n si porterà in p andando a colmare un pari numero di lacune. II risultato di questo
fatto sarà che il semiconduttore n si troverà con eccedenza di cariche fisse positive e assumerà un potenziale positivo, il
semiconduttore p si troverà con eccedenza di cariche risse negative e assumerà un potenziale negatiru.
II fenomeno della diffusione quindi non può procedere indefinitamente, perché la crescente differenza di potenziale che viene a
stabilirsi fra i due semiconduttori tende a contrastare la diffusione.
Si perviene cosi ad una condizione di equilibrio dinamico per la quale si può considerare la coesistenza, attraverso la giunzione. di
due correnti, una di diffusione, dovuta alle cariche maggioritarie anzidette, l'altra di spostamento, a senso inverso, dovuta alle
cariche minoritarie derivanti dalla rottura dei legami covalenti.
In equilibrio spontaneo tali correnti, uguali, danno risultante nulla. Singolarmente considerate, esse sono di intensità molto bassa,
dovendo adeguarsi allo spostamento di cariche minoritarie, che sono appunto in numero molto basso.
Il fenomeno di diffusione ha luogo nell'immediato intorno della giunzione e lo spessore interessato viene indicato come spessore della
giunzione indipendentemente dalla lunghezza fisica del componente.
Lo spessore della giunzione è la somma di due parti uguali, l'una in p, l'altra in n, parti che hanno subito la penetrazione delle
cariche corrispondenti.
Sopra: Fog.009. a)rappresentazione schematica fi una giunzione pn; b) correnti nella giunzione:
c) diagramma della carica; d) diagramma del potenziale.
La differenza di potenziale spontanea che si stabilisce fra i due semiconduttori è detta barriera di potenziale proprio perché
impedisce
ogni ulteriore diffusione. Il valore della barriera di potenziale, Vc, varia da elemento a elemento ed anche con
la percentuale di drogante.
È tipico un valore di Vc =0,2 ÷ 0,3 V per il Ge, Vc,=0.7 ÷ 0,8 V per il Si,
Tale valore è influenzato anche dalla temperatura che, rompendo i legami covalenti, conduce all'alterazione delle cariche minoritarie
presenti. Tuttavia si osservi che la tensione ai capi del componente è nulla, perché la tensione di giunzione è compensata dalle tensioni
di contatto dei terminali.
Nella costruzione dei diodi si utilizzano semiconduttori a pari concentrazione di elemento
drogante, per cui la profondità di penetrazione e la stessa nei due sensi. li diagramma dei
potenziali lungo il componente, ammesso di considerare nullo il potenziale della giunzione, è perfettamente simmetrico nei due sensi.
In altri componenti elettronici si procede alla giunzione di semiconduttori a diversa concentrazione di droganti. In questo caso,
quello a maggior concentrazione esercita una pressione di diffusione più elevata e produce una maggior penetrazione In effetti, poiché
k cariche che sono passate a destra sono esattamente uguali a quelle che mancano a sinistra, accade che nella parte n, ad alta
concentrazione, occupavano uno spessore modesto, nella parte p, a bassa concentrazione, sono invece disperse in una zona più ampia.
Sopra: fig.010. Giunzione pn a semiconduttori con differentegraso di drogaggio.
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