Teoria dei semiconduttori

Prof.ssa Civitillo | I materiali, a seconda della loro attitudine alla conduzione della corrente elettrica, possono essere suddivisi in tre categorie: conduttori, semiconduttori e isolanti. Il diverso comportamento di un materiale al passaggio della corrente elettrica dipende dalla struttura atomica del materiale stesso. Secondo il modello di Bohr l'atomo è costituito da un nucleo, intorno al quale, disposti in diverse orbite circolare od ellittiche, ruotano gli elettroni, dotati di carica negativa e. Il numero degli elettroni ruotanti è uguale a quello dei protoni, di carica positiva +e, contenuti nel nucleo quindi l'atomo, in condizioni normali, è elettricamente neutro. Gli elettroni si distribuiscono nelle varie orbite (ciascuna delle quali è caratterizzata da un numero massimo di elettroni contenibili) a partire da quella più vicina al nucleo, in modo da completarle successivamente. Gli elettroni dell'orbita più esterna, normalmente incompleta, vengono detti di valenza. Sono questi elettroni che determinano le proprietà chimiche ed elettriche di un materiale vengono chiamati di valenza in quanto sono quelli che definiscono i legami fra gli atomi di una molecola. All'interno del materiale si distinguono principalmente due bande o livelli energetici intendendo con questo termine l’insieme delle orbite i cui elettroni posseggono una certa energia, la "banda di valenza" e la "banda di conduzione". Alla banda di valenza appartengono gli elettroni che abbiamo chiamato di valenza quella di conduzione quegli elettroni che posseggono una energia tale da sfuggire all'attrazione del nucleo e che quindi, diventano liberi di muoversi all’interno del materiale. Tra queste due bande esiste una certa differenza di energia, ossia un corto numero di livelli energetici, che gli elettroni dell'atomo non possono possedere; a questa zona viene dato il nome di banda interdetta o anche di Gap energetico. Somministrando energia al materiale è possibile far passare gli elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione: ciò vuol dire che gli elettroni della banda di valenza, in queste condizioni vengono a possedere un'energia tale da superare la banda interdetta per portarsi in quella di conduzione. L'energia necessaria per far avvenire questo passaggio di elettroni da una banda all'altra può essere di tipo termico, elettrico o luminoso. Com'è noto la corrente elettrica non altro che un moto ordinato di elettroni all’interno del materiale, risulta, quindi chiaro che l'entità di questa corrente. dipenderà, dal numero di elettroni contenuti nella banda di conduzione.
Conducibilità nei conduttori
Sappiamo che si chiamano conduttori quei materiali che permettono il passaggio della corrente elettrica; alla luce di quanto abbiamo finora visto saranno allora conduttori quei materiali nei quali una piccola quantità di energia permette di portare la maggior parte degli elettroni di valenza nella banda di conduzione; nei conduttori tale energia è fornita dall'agitazione termica degli atomi a temperatura ambiente, in queste condizioni possiamo allora dire che, nei conduttori, banda di valenza e banda di conduzione sono praticamente sovrapposte ossia il gap tra le due bande è nullo. A temperatura ambiente gli elettroni di valenza sono praticamente tutti liberi di muoversi all’interno della struttura atomica del metallo; il moto è disordinato e casuale in quanto non essendo presente alcun campo elettrico, non può dare luogo a corrente. Sovente nei testi specializzati si sente parlare di “gas elettronico” per dare un’idea del grado di libertà di movimento degli elettroni di valenza all’interno del reticolo cristallino del metallo. E’ sufficiente applicare un piccolo campo elettrico per orientare in una determinata direzione il moto, altrimenti disordinato, di tutti gli elettroni liberi presenti; l’intensità di corrente prodotta dal movimento degli elettroni liberi è notevole e la resistenza elettrica R di questi materiali è di conseguenza molto bassa. Al crescere della temperatura nei metalli solitamente si riscontra un aumento della resistenza elettrica R; si dice che un metallo è un PTC (Positive Temperature Coefficient - materiale con coefficiente di temperatura positivo). Il fenomeno si spiega ricordando che l’aumento di temperatura provoca un aumento della vibrazione degli atomi che costituiscono la struttura cristallina di un metallo; aumenta la probabilità di collisione fra elettroni liberi e atomi della struttura cristallina con conseguente riduzione della carica elettrica media trasportata dagli elettroni e conseguente aumento della resistenza elettrica del materiale.
Conducibilità negli isolanti
Sappiamo anche che si chiamano isolanti quei materiali che non permettono il passaggio della corrente elettrica. Agli isolanti appartengono allora quei materiali nei quali è necessaria una notevole energia per far passare gli elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione, ossia quelli in cui il gap esistente tra le due bande è molto grande. E' allora impossibile in condizioni normali, far passare elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione; in questo caso la banda di conduzione risulta vuota e quindi non vi può essere passaggio di corrente all'interno del materiale. Per far sì che un materiale isolante conduca è necessario vincere la “rigidità dielettrica” del materiale (massima intensità di campo elettrico applicabile) vale a dire si deve letteralmente “strappare” gli elettroni di valenza dai propri atomi vincendo le forze di attrazione atomiche. Quando ciò avviene il materiale isolante solitamente si distrugge; sono esempi di questo fenomeno la carbonizzazione prodotta sulle materie plastiche da una violenta scarica elettrica; la distruzione degli isolatori ceramici o di vetro dei tralicci dell’alta tensione provocata da un fulmine (campo elettrico elevatissimo).
Conducibilità nei semiconduttori
Un materiale che presenta proprietà intermedie a quelle degli isolanti e dei conduttori viene detto semiconduttore. In questi materiali si ha il passaggio di una debole corrente elettrica anche a temperatura ambiente, ciò vuol dire che un certo numero di elettroni di valenza può passare dalla banda di valenza alla Banda di conduzione; il gap esistente tra le due bande non è quindi molto grande. A questa categoria appartengono materiali di tipo cristallino aventi quattro elettroni nell'orbita di valenza. Per le loro particolari proprietà tali sostanze vengono utilizzate per la costruzione di dispositivi a semiconduttore come diodi e transistor. Le principali di tali sostanze sono il Germanio ed il Silicio. Vi propongo un approfondimento dell'argomento con le dispense su semiconduttori, giunzioni, diodi e transistor.