I Semiconduttori

 

 

La loro caratteristica è quella di avere poche cariche per la conduzione elettrica, e quindi sotto l' azione di campi elettrici, queste cariche diventano facilmente controllabili, inoltre le cariche si possono aumentare o diminuire con un procedimento chimico detto drogaggio.

 

Queste due caratteristiche li differiscono in modo non indifferente dai conduttori e dagli isolanti, in quanto i conduttori non sono controllabili vista l' elevata quantità di elettroni in conduzione, mentre per gli isolanti sono necessari campi elettrici troppo elevati. In natura esistono già alcuni materiali semiconduttori che sono il Germanio (Ge), il Silicio (Si), ed il Carbonio (C).

 

Esistono poi altri semiconduttori ottenuti per via chimica quali l' arseniuro di gallio, ed il solfuro di cadmio, puoi consultare la lista completa nella tavola periodica degli elementi, ma in pratica si utilizzato solamente il Germanio ed il Silicio, e la tendenza è quella di orientarsi verso il solo Silicio che possiede caratteristiche migliori.

 

Il Ge ed il Si appartengono al IV gruppo della tavola degli elementi, qui puoi trovare le caratteristiche ed hanno quindi valenza 4. Le loro molecole hanno forma tetraedrica. Gli atomi dei semiconduttori sono uniti da un legame covalente, questo tipo di legame si può rompere facilmente mediante una acquisizione minima di energia, di conseguenza alcuni elettroni diventano liberi per la conduzione.

 

A temperatura ambiente, grazie all' effetto termico alcuni elettroni sono già disponibili per la conduzione, ed aumentano se aumenta la temperatura, questo è uno svantaggio in quanto le proprietà della conduzione variano col variare della temperatura, e quindi essi vanno utilizzati in campi di temperatura molto limitati.

 

Le cariche che diventano libere e quindi sono disponibili per la conduzione, lasciano ovviamente delle cariche positive dette lacune. analizzando il movimento di cariche dovuto alla presenza di un campo elettrico (conduzione intrinseca), si nota che al movimento di cariche negative verso il polo positivo corrisponde un movimento di cariche positive verso il polo negativo (fig. 4.1).

 

semiconduttori
Fig. 4.1

 

Questo dimostra come le cariche elettriche sono facilmente controllabili mediante campi elettrici. Drogare un semiconduttore significa iniettare al suo interno quantità ben precise di sostanze (impurità) trivalenti, (bario, alluminio, gallio, indio), o pentavalenti (fosforo, antimonio, arsenico).

 

 

Drogaggio dei Semiconduttori


Drogaggio mediante sostanze pentavalenti: Se si iniettano delle sostanze pentavalenti all' interno di un semiconduttore (tetravalente), queste sostanze si legano al semiconduttore mediante 4 elettroni, mentre il quinto resta libero e pertanto disponibile alla conduzione. Il semiconduttore drogato in questo modo prende il nome di tipo N in quanto al suo interno sono disponibili delle cariche negative introdotte mediante il drogante (donatore) disponibili alla conduzione.

 

Se allora si applica un generatore al semiconduttore drogato, la conduzione avverrà molto facilmente incontrando una resistenza molto inferiore alla resistenza trovata nel semiconduttore non drogato, in quanto la conduzione avviene mediante le cariche libere del donatore. Per effettuare un drogaggio normale di tipo N si iniettano da 10E14 a 10E18 atomi di drogante per centimetro cubo di semiconduttore.

 

Drogaggio mediante sostanze trivalenti: in questo caso all' interno del semiconduttore viene iniettata una sostanza trivalente (cioè avente valenza 3), in questo caso essa si lega al semiconduttore solo con tre legami, lasciandone libero 1. questo legame libero (lacuna) si rende disponibile alla conduzione, ma si ha un eccesso di cariche positive, e pertanto il semiconduttore prende il nome di tipo P, mentre il drogante prende il nome di accettore. Anche in questo caso per effettuare il drogaggio si iniettano da 10E14 a 10E18 atomi di drogante per centimetro cubo di semiconduttore.

 

Benchè il semiconduttore venga drogato, non si modificano le sue proprietà, ed una variazione di temperatura, o comunque l' acquisizione di energia esterna produce un aumento delle cariche disponibili alla conduzione, quindi anche se questa è notevolmente aumentata grazie all' inserimento delle impurità, il semiconduttore è sempre sensibile alle variazione di temperatura o altro.

 

La giunzione P-N


 

Quando due parti di semiconduttore, una drogata di tipo P e l' altra drogata di tipo N vengono messe a stretto contatto, (o meglio quando una barretta di semiconduttore viene in parte drogata di tipo P e in parte di tipo N), si forma una zona dalle caratteristiche particolari denominata giunzione (fig. 6.1.a). Immediatamente tra il semiconduttore di

tipo P e quello di tipo N avviene un fenomeno di diffusione delle cariche, cioè le cariche libere di tipo P si spostano verso la zona di tipo N, viceversa le cariche libere di tipo N si spostano verso la zona di tipo P.

 

Questo movimento di cariche, (che tende a riportare l' equilibrio tra elettroni e lacune) si chiama corrente di diffusione. La durata della corrente di diffusione è molto limitata, difatti appena si viene ad avere la presenza di lacune nella zona di tipo N, e la presenza di elettroni nella zona di tipo P, nasce un campo elettrico con il positivo nella zona di tipo N, e col negativo nella zona di tipo P, e le cariche che attraversano la giunzione devono via via superare una barriera di potenziale sempre maggiore.

 

Quando il campo elettrico diventa sufficientemente elevato, la corrente di diffusione viene annullata, in quanto si genera una seconda corrente detta di drift (corrente di campo) che ha senso opposto alla corrente di diffusione (fig. 6.1.b). L' effetto della giunzione è quello di dar luogo ad una zona di svuotamento delle cariche (depletion layer) tra la zona P e la zona N (fig. 6.1.c). La larghezza di questa zona dipende dalla concentrazione dei droganti, mentre il potenziale di giunzione (Vd) è di circa 0,7V per il silicio e di 0,3V per il germanio

 

Giunzione
Fig. 61a
Fig. 6.1.b
Fig. 6.1b
Fig. 6.1.c
Fig 6.1c

 

Polarizzazione diretta

 

La giunzione P-N ha la proprietà di lasciar passare facilmente la corrente se viene polarizzata direttamente con un resistenza sufficientemente bassa, difatti se si coa tensione del generatore è superiore alla tensione di giunzione (Vd), le cariche riescono a passare attraverso la giunzione dando luogo ad una corrente elettrica (fig. 7.1).

 

polarizzazione
Fig. 7.1 (polarizzazione)

 

Polarizzazione inversa

 

Polarizzando inversamente la giunzione P-N (fig. 8.1), cioè collegando il polo positivo del generatore E alla zona di tipo N, e il polo negativo alla zona di tipo P, il potenziale della giunzione aumenta fino ad annullare la corrente di diffusione, ma aumenta la corrente di drift che è proporzionale con la tensione di giunzione.

 

In queste condizioni la giunzione non conduce corrente, in quanto la resistenza interna risulta molto elevata, e la corrente inversa che riesce a circolare è di valore molto basso, per il silicio il valore è praticamente trascurabile, mentre è più elevato per il germanio.

 

Fig. 8.1
Fig. 8.1

 

 

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