I semiconduttori

I semiconduttori sono sostanze di natura cristallina che si comportano come conduttori all'aumentare della temperatura. A temperatura ordinaria, invece, si comportano come isolanti.

A temperatura ordinaria la resistività elettrica dei semiconduttori è compresa nell'intervallo 10^-4Ωm e 10⁷Ωm. Quindi, è intermedia tra gli isolanti (10^-8Ωm)e i conduttori (10¹²Ωm).

Qual è il vantaggio di un semiconduttore?

Alle basse temperature i semiconduttori sono isolanti, mentre al crescere della temperatura diventano conduttori.

Nota. Il silicio e il germano sono tipici semiconduttori. I semiconduttori sono alla base della costruzione dei circuiti integrati.

Tipi di semiconduttori

I semiconduttori si distinguono in base al tipo di conduttività.

• Conduttività elettronica
  La corrente è generata dal movimento degli elettroni di valenza. Esistono due tipi di semiconduttori di questo tipo
  • Semiconduttori intrinseci
    Allo zero assoluto la banda di valenza è completamente piena, mentre la banda di conduzione è vuota.
  • Semiconduttori estrinseci
    La conducibilità del semiconduttore avviene per drogaggio tramite l'inserimento di elementi chimici esterni, detti droganti, nel reticolo cristallino.
• Conduttività ionica
  La corrente è generata dal movimento di alcuni ioni nel reticolo cristallino.

Nota. La conduttività elettronica è quella più utilizzata nelle applicazioni pratiche. La conduttività ionica è invece meno usata perché dipende da una particolare configurazione del reticolo cristallino che agevola lo spostamento degli ioni.

La conduttività elettronica

Nei semiconduttori intrinseci la conduttività elettronica è dovuta al passaggio di alcuni elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione, per effetto di un'eccitazione termica esterna (ΔE).

Il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione può avvenire per riscaldamento (termoconduzione) o per effetto di una radiazione a una particolare frequenza (fotoconduzione).

Cos'è una banda? Nei reticoli cristallini gli atomi sono molto vicini tra loro. Si formano diversi orbitali molecolari con livelli di energia leggermente diversi tra loro che, considerati complessivamente, occupano un intervallo continuo di energia da un minimo a un massimo. Questo intervallo di energia è detto banda. La banda di valenza è l'intervallo in cui sono presenti gli orbitali molecolari con gli elettroni di valenza.

A differenza dei metalli, in un semiconduttore la banda di conduzione e la banda di valenza sono separate tra loro.

Per questa ragione in condizioni di temperatura normale in un semiconduttore non avviene alcun passaggio di elettroni tra le due bande.

Nei semiconduttori è comunque possibile spostare gli elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione, erogando al sistema una determinata quantità di energia termica o elettrica.

Nei semiconduttori il legame di valenza è molto debole.

Quindi, è sufficiente una minima energia per allontanare gli elettroni di valenza dagli orbitali atomici/molecolari.

Qual è la differenza tra semiconduttori e isolanti? Come i semiconduttori anche le sostanze isolanti hanno la banda di conduzione separata dalla banda di valenza. Tuttavia, negli isolanti l'energia necessaria per far "saltare" gli elettroni nella banda di valenza è molto più alta. Oltre 10 eV (elettronvolt ). Nei semiconduttori è invece sufficiente un'energia dieci volte inferiore, circa 1,1 eV. Dove 1 eV = 1,602·10^-19J.

Grazie a questa energia aggiuntiva (eccitazione), una parte degli elettroni del semiconduttore si spostano alla banda di conduzione, lasciando dietro di sé nella banda di valenza un posto vuoto (buco) di carica positiva, detto lacuna.

Nella banda di valenza la lacuna viene immediatamente occupata da un altro elettrone proveniente da un atomo adiacente che, a sua volta, lascia dietro di sé un'altra lacuna. E via dicendo.

Pertanto, in un semiconduttore si verificano due flussi di corrente

• Corrente elettronica
  La corrente dovuta allo spostamento degli elettroni nella banda di conduzione
• Corrente di lacune
  La corrente dovuta allo spostamento degli elettroni nelle lacune della banda di valenza.

Quando il semiconduttore si trova sotto l'effetto di un campo elettronico, il flusso degli elettroni e il flusso apparente delle lacune avviene in direzioni opposte.

Il flusso delle lacune è "apparente" perché, in realtà, sono gli elettroni adiacenti a spostarsi.

Il drogaggio dei semiconduttori

Per aumentare la conduttività alcuni semiconduttori possono essere drogati tramite l'inserimento di alcune impurità nel reticolo cristallino.

• Drogaggio negativo
  Si inseriscono nel reticolo degli atomi con un elettrone di valenza in più. Questi atomi sono detti donatori. Ad esempio, atomi di arsenico, piombo, ecc. L'elettrone in più aumenta la corrente elettronica nella banda di conduzione. Si forma un livello energetico intermedio (livello donatore) vicino alla banda di conduzione che facilita il passaggio degli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione.
  
  Questi semiconduttori sono detti semiconduttori di tipo n, perché la corrente si ottene tramite il movimento delle cariche negative.
  

  Esempio. Il silicio (Si) e il germanio (Ge) del gruppo IV possono essere trasformati in semiconduttori estrinseci per drogaggio inserendo alcuni atomi di arsenico nel reticolo cristallino. Il silicio (3s² 3p²) ha 4 elettroni di valenza. L'arsenico (4s² 4p³) ha 5 elettroni di valenza, un elettrone in più rispetto al silicio. Quattro elettroni di valenza dell'atomo arsenico formano un legame covalente con i quattro elettroni dell'atomo di silicio. L'elettrone restante è libero di muoversi nel reticolo.

• Drogaggio positivo
  Si inseriscono nel reticolo degli atomi con un elettrone di valenza in meno. Questi atomi sono detti accettori. Ad esempio, atomi di boro, alluminio, ecc. L'elemento in meno aumenta la quantità di lacune nella banda di valenza, quindi aumenta la corrente di lacune. Si forma un livello energetico intermedio (livello accettore) vicino alla banda di valenza che agevola lo spostamento delle lacune dalla banda di valenza alla banda di conduzione.
  
  Questi semiconduttori sono detti semiconduttori di tipo p, perché la corrente si ottene tramite lo spostamento delle cariche positive (le lacune).

  Esempio. Il silicio può essere trasformato in un semiconduttore estrinseco di tipo p introducendo nel reticolo degli atomi di gallio (Ga). Il gallio (4s² 4p¹) ha 3 elettroni di valenza, uno in meno rispetto al silicio (3s² 3p²) che ha 4 elettroni di valenza. Gli atomi di gallio occupano i posti degli atomi di silicio nel reticolo. Si dovrebbero formare quattro legami tra l'atomo di gallio e un atomo di silicio adiacente ma il quarto legame ha un elettrone in meno. Questo introduce una lacuna in più nel reticolo, dove possono spostarsi gli elettroni adiacenti.

E così via.