I semiconduttori

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I SEMICONDUTTORI

I semiconduttori sono materiali cristallini caratterizzati da valori di resistività intermedi fra i conduttori e gli isolanti. La resistività può essere variata e controllata con molta precisione. Tra i semiconduttori i più usati sono il silicio (Si), il germanio (Ge), usato in modo particolare nei rivelatori di segnali a radiofrequenza e nei rivelatori di fotoni ad alta energia; e infine, ottenuto dalla composizione di elementi semplici, l’arseniuro di gallio (GaAs), spesso usato per realizzare dispositivi opto-elettronici, in quanto mostra grande risposta ad alte frequenze e nella fotoemissione. Il più utilizzato è comunque il silicio, in quanto presenta temperatura di lavoro più elevata e quindi una maggiore potenza dissipabile dal componente; correnti di fuga della giunzione più basse, grazie al valore più elevato del salto energetico EG; possibilità di una miniaturizzazione più spinta infine, causa principale, la messa a punto della tecnica planare, che si basa sulle caratteristiche isolanti e passivanti dell’ossido di silicio. I materiali semiconduttori, infatti, formano con l’ossigeno un ottimo isolante (ad esempio, il silicio forma il biossido di silicio SiO2), che facilita la formazione di regioni di isolamento nella costruzione di dispositivi elettronici a semiconduttore.
Per poter essere utilizzati in campo elettronico i materiali semiconduttori devono comunque presentare un elevatissimo grado di purezza e una perfetta regolarità del reticolo cristallino, in quanto eventuali impurezze ed imperfezioni reticolari incidono fortemente sui parametri del materiale, quali la mobilità e il tempo di vita medio dei portatori di carica, la conducibilità, ecc.
Un semiconduttore, pertanto, prima di poter essere utilizzato nella realizzazione di prodotti commerciali, deve subire processi di purificazione e di monocristallizzazione per diventare semiconduttore “elettronico”.
I semiconduttori hanno, in natura, una struttura cristallina costituita da un insieme ordinato di celle elementari. Il silicio è un elemento tetravalente ed ha quattro elettroni esterni, o di valenza (fig. 1).

fig.1
I legami tra gli elettroni sono di tipo covalente. Ricordiamo che questo tipo di legame si forma per condivisione, o messa in comune, di elettroni spaiati tra atomi dello stesso tipo o tra atomi diversi.
In figura 2 viene mostrata la struttura di un legame covalente, dove i quattro elettroni esterni sono gli elettroni di valenza che vanno ad unirsi ad altri elettroni di altri atomi. I cerchi rossi indicano infatti i legami covalenti. Questa situazione si ha in prossimità di temperature pari allo zero assoluto. A temperature superiori, il movimento di agitazione termica fa sì che un certo numero di elettroni rompa il legame di covalenza e diventi libero; essi sono pertanto detti elettroni liberi (fig. 3)

fig. 2 fig. 3
A causa dell’agitazione termica, l’elettrone di valenza, divenuto elettrone libero, si muove in modo casuale nel semiconduttore. Un elettrone esterno che si allontana dall’atomo da vita cosi ad una lacuna (o buco o hole). La lacuna viene schematizzata come una carica positiva mobile, uguale in valore assoluto ma di segno opposto alla carica dell’elettrone. Essa è una carica mobile in quanto, sempre a causa dell’agitazione termica, un elettrone di un legame adiacente può colmare la lacuna, creando a sua volta una nuova lacuna, là dove ha spezzato il legame di covalenza. Quando quindi un elettrone si libera e si forma una lacuna, si dice che si è creata una coppia elettrone-lacuna. Il numero di coppie lettrone-lacuna presenti nel semiconduttore dipende dalla temperatura e dalle caratteristiche del materiale semiconduttore stesso.
La concentrazione di elettroni,o di lacune, può essere facilmente determinata, in quanto:

Discorso analogo vale per le lacune.

Proprietà e parametri dei semiconduttori
Diversi sono i parametri fondamentali che caratterizzarono il comportamento dei semiconduttori. Abbiamo:

- Salto energetico EG (energy gap): indica l’ampiezza della banda energetica che separa la banda di valenza da quella di conduzione. Nei semiconduttori tale livello è relativamente basso in quanto alcuni elettroni della banda di valenza, acquisita l’energia necessaria, possono raggiungere la banda di conduzione diventando elettroni liberi e lasciando un numero corrispondente di lacune. Queste possono essere a loro volta colmate da altri elettroni della banda di valenza. Possiamo così dire che i semiconduttori sono portatori di carica elettrica negativa (elettroni: portatori maggioritari) e di carica elettrica positiva (lacune: portatori minoritari). Maggiore è il valore del salto energetico tanto più il semiconduttore potrà essere utilizzato a temperature maggiori. Nel germanio il suo valore è di 0,72 eV; nel silicio 1,12 eV; nell’arseniuro di gallio 1,4 eV.

- Concentrazione intrinseca ni: in realtà nel semiconduttore al processo continuo di formazione delle coppie elettrone-lacuna si contrappone un processo inverso di ricombinazione, che in definitiva porta il materiale a una condizione di equilibrio dinamico, fortemente influenzata dalla temperatura. Un semiconduttore puro è inoltre detto semiconduttore intrinseco, ossia non drogato. In questo tipo di semiconduttori la concentrazione di elettroni è uguale alla concentrazione di lacune, e cresce all’aumentare della temperatura (agitazione termica):

- Legge dell’azione di massa: per formare una giunzione, il semiconduttore deve essere drogato con atomi di sostanze dette impurezze, che forniscono elettroni (atomi donatori) p lacune (atomi accettori). Si viene così ad avere rispettivamente un semiconduttore di tipo n (ricco di elettroni) o di tipo p (ricco di lacune). Vale in questo caso la legge dell’azione di massa:

Ossia, dato un semiconduttore drogato, il prodotto della contrazione delle lacune e degli elettroni deve essere pari alla concentrazione intrinseca al quadrato. Capiamo quindi che se aumenta la concentrazione di elettroni, diminuisce quella di lacune, e viceversa.

- Mobilità degli elettroni e delle lacune μ: è la velocità, espressa in cm/s, con cui si muovono i portatori per effetto di un campo elettrico pari a 1 V/cm. Il valore della mobilità decresce con l’aumentare della temperatura, in quanto aumenta gli urti tra le cariche.
Si supponga di applicare una differenza di potenziale ad una sezione di semiconduttore, con il polo positivo a sinistra e quello negativo a destra; all’interno del semiconduttore si manifesta un campo elettrico E. Gli elettroni liberi, avendo carica negativa, si muovono verso il polo positivo; le lacune, aventi carica positiva, si muovono verso il polo negativo. I due contributi di corrente, dovuti ad elettroni liberi e alle lacune, si sommano. Il movimento delle lacune ha caratteristiche diverse dal movimento degli elettroni liberi. Sotto l’azione del campo elettrico, gli elettroni liberi si muovono nella struttura cristallina del semiconduttore; il movimento delle lacune avviene, invece, attraverso successive rotture di legami covalenti, e la velocità con cui si spostano le lacune è inferiore alla velocità con cui si spostano gli elettroni liberi. Si definisce come mobilità di una carica il rapporto fra la velocità ed il campo elettrico che determina il movimento; la mobilità degli elettroni è maggiore delle mobilità delle lacune.

- Resistività e conduttività: nel semiconduttore intrinseco la conduttività dipende dalla concentrazione di elettroni e di lacune, dalla loro mobilità, e dalla quantità di carica dell’elettrone (). Avremo così:

Essa aumenta con la temperatura. La resistività è invece pari al suo inverso:

- Tempo di vita medio: è l’intervallo di tempo che in un semiconduttore intrinseco intercorre mediamente fra la formazione di una coppia di portatori di carica elettrone-lacuna e la loro scomparsa mediante un processo di ricombinazione.

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