Proprietà elettroniche
I materiali semiconduttori trattati qui sono cristalli singoli – cioè, gli atomi sono disposti in modo periodico tridimensionale. La figura 2A mostra una rappresentazione bidimensionale semplificata di un cristallo di silicio intrinseco che è molto puro e contiene una quantità trascurabilmente piccola di impurità. Ogni atomo di silicio nel cristallo è circondato da quattro dei suoi vicini più vicini. Ogni atomo ha quattro elettroni nella sua orbita esterna e condivide questi elettroni con i suoi quattro vicini. Ogni coppia di elettroni condivisa costituisce un legame covalente. La forza di attrazione per gli elettroni da parte di entrambi i nuclei tiene insieme i due atomi.
Encyclopædia Britannica, Inc.
A basse temperature gli elettroni sono legati nelle loro rispettive posizioni nel cristallo; di conseguenza, non sono disponibili per la conduzione elettrica. A temperature più alte, la vibrazione termica può rompere alcuni dei legami covalenti. La rottura di un legame produce un elettrone libero che può partecipare alla conduzione di corrente. Una volta che un elettrone si allontana da un legame covalente, c’è una carenza di elettroni in quel legame. Questa carenza può essere colmata da uno degli elettroni vicini, il che si traduce in uno spostamento della posizione della carenza da un sito a un altro. Questa carenza può quindi essere considerata come una particella simile a un elettrone. Questa particella fittizia, chiamata buco, porta una carica positiva e si muove, sotto l’influenza di un campo elettrico applicato, in una direzione opposta a quella di un elettrone.
Per un atomo isolato, gli elettroni dell’atomo possono avere solo livelli energetici discreti. Quando un gran numero di atomi sono riuniti per formare un cristallo, l’interazione tra gli atomi fa sì che i livelli di energia discreti si distribuiscano in bande di energia. Quando non c’è vibrazione termica (cioè, a bassa temperatura), gli elettroni in un semiconduttore riempiranno completamente un certo numero di bande di energia, lasciando il resto delle bande di energia vuote. La banda più alta riempita è chiamata banda di valenza. La banda immediatamente superiore è la banda di conduzione, che è separata dalla banda di valenza da un gap energetico. Questo gap energetico, chiamato anche bandgap, è una regione che designa le energie che gli elettroni nel semiconduttore non possono possedere. La maggior parte dei semiconduttori importanti hanno bandgap nell’intervallo da 0,25 a 2,5 eV. Il bandgap del silicio, per esempio, è di 1,12 eV e quello dell’arseniuro di gallio è di 1,42 eV.
Come discusso sopra, a temperature finite le vibrazioni termiche romperanno alcuni legami. Quando un legame viene rotto, ne risulta un elettrone libero, insieme a un buco libero, cioè l’elettrone possiede abbastanza energia termica per attraversare il bandgap verso la banda di conduzione, lasciandosi dietro un buco nella banda di valenza. Quando un campo elettrico viene applicato al semiconduttore, sia gli elettroni nella banda di conduzione che i buchi nella banda di valenza guadagnano energia cinetica e conducono elettricità. La conduttività elettrica di un materiale dipende dal numero di portatori di carica (cioè, elettroni e buchi liberi) per unità di volume e dalla velocità con cui questi portatori si muovono sotto l’influenza di un campo elettrico. In un semiconduttore intrinseco esiste un numero uguale di elettroni e buchi liberi. Gli elettroni e i buchi, tuttavia, hanno mobilità diverse, cioè si muovono con velocità diverse in un campo elettrico. Per esempio, per il silicio intrinseco a temperatura ambiente, la mobilità degli elettroni è di 1.500 centimetri quadrati per volt secondo (cm2/V-s) – cioè, un elettrone si muoverà ad una velocità di 1.500 centimetri al secondo sotto un campo elettrico di un volt per centimetro – mentre la mobilità dei buchi è di 500 cm2/V-s. Le mobilità di un dato semiconduttore generalmente diminuiscono con l’aumento della temperatura o con l’aumento della concentrazione di impurità.
La conduzione elettrica nei semiconduttori intrinseci è piuttosto scarsa a temperatura ambiente. Per produrre una conduzione più elevata, si possono introdurre intenzionalmente delle impurità (tipicamente ad una concentrazione di una parte per milione di atomi dell’ospite). Questo è il cosiddetto processo di drogaggio. Per esempio, quando un atomo di silicio viene sostituito da un atomo con cinque elettroni esterni come l’arsenico (Figura 2C), quattro degli elettroni formano legami covalenti con i quattro atomi di silicio vicini. Il quinto elettrone diventa un elettrone di conduzione che viene “donato” alla banda di conduzione. Il silicio diventa un semiconduttore di tipo n a causa dell’aggiunta dell’elettrone. L’atomo di arsenico è il donatore. Allo stesso modo, la figura 2C mostra che, quando un atomo con tre elettroni esterni come il boro viene sostituito ad un atomo di silicio, un elettrone aggiuntivo viene “accettato” per formare quattro legami covalenti intorno all’atomo di boro, e viene creato un buco carico positivamente nella banda di valenza. Questo è un semiconduttore di tipo p, con il boro che costituisce un accettore.
