I semiconduttori

(la videolezione) I materiali usati nella realizzazione di componenti a semiconduttore sono il silicio (Si), largamente prevalente, il germanio (Ge), impiegato solo in rari casi, l’arseniuro di gallio (AsGa), composto utilizzato per applicazioni particolari. E' noto che le proprietà di un materiale dipendano, dalla struttura atomica ed elettronica degli elementi che lo compongono e dal legame chimico esistente fra i suoi atomi. Gli atomi dei semiconduttori puri, silicio e germanio, presentano quattro elettroni di valenza (tetravalenti) e una struttura cristallina in cui ciascun atomo mette in comune un elettrone di valenza con quattro atomi circostanti formando legami covalenti. Ciò fa sì che gli elettroni risultino saldamente vincolati nel reticolo cristallino e la conduttività del materiale è nulla. A temperature molto basse, infatti, i materiali semiconduttori si comportano come isolanti. Fornendo però energia termica, o un altro tipo di energia, è possibile spezzare qualche legame covalente. In questo caso si avranno elettroni liberi e "vuoti di elettroni" in alcuni legami covalenti; i vuoti lasciati dagli elettroni prendono il nome di lacune (cariche positive). L’importanza della lacuna consiste nel fatto che l’esistenza di un legame incompleto rende probabile il trasferimento di un elettrone di un altro atomo alla lacuna stessa. Questo processo può ripetersi a catena perché l’elettrone che si muove lascia a sua volta una lacuna. Il flusso degli elettroni procede quindi in verso opposto a quello delle lacune. In un semiconduttore puro il numero delle lacune è uguale al numero di elettroni liberi e aumenta al crescere della temperatura. Pertanto, per esempio a temperatura ambiente, si ha una debole conduttività, dovuta alle lacune e agli elettroni liberi generatisi per effetti termici, nota come conduttività intrinseca.

Il drogaggio consiste nell'introduzione controllata e precisa di quantità minime di atomi estranei (impurità), chiamati droganti, nel reticolo cristallino del semiconduttore puro. L'obiettivo è aumentare la concentrazione di portatori di carica (elettroni o lacune) di diversi ordini di grandezza, rendendo la conduzione elettrica gestibile e prevedibile, essenziale per la costruzione di tutti i dispositivi a semiconduttore (diodi, transistor, ecc.).

A seconda del drogante utilizzato, si ottengono due tipi di semiconduttori estrinseci:

1. Semiconduttore di Tipo N 

Droganti: Si usano atomi pentavalenti, come il Fosforo (P) o l'Arsenico (As).

Funzionamento: Questi atomi hanno 5 elettroni di valenza. Quando un atomo pentavalente sostituisce un atomo di Silicio (che ne ha 4), 4 elettroni formano legami covalenti con gli atomi vicini, mentre il quinto elettrone viene lasciato libero di muoversi nel reticolo.

I droganti sono chiamati donatori perché "donano" elettroni, mentre gli elettroni sono chiamati Portatori Maggioritari.

2. Semiconduttore di Tipo P 

Droganti: Si usano atomi trivalenti, come il Boro (B) o il Gallio (Ga).

Funzionamento: Questi atomi hanno 3 elettroni di valenza. Quando un atomo trivalente sostituisce un atomo di Silicio, manca un elettrone per completare il legame covalente con un atomo vicino. Questa "assenza" genara una lacuna che comporta come una carica positiva mobile.

I droganti sono chiamati accettori perché "accettano" un elettrone, mentre le lacune sono chiamate Portatori Maggioritari.