Semiconduttori intrinseci e drogati

Corso di Elettronica Industriale (CdL in Ingegneria
Meccatronica, sede di Mantova)
Semiconduttori intrinseci e drogati
Isolanti, conduttori e semiconduttori
In un solido si può avere conduzione di carica elettrica (quindi passaggio
di corrente) se sono disponibili portatori di carica liberi (elettroni)
In un isolante ideale, tutte le cariche elettriche sono legate ai rispettivi atomi
In un conduttore (metallo) è presente un numero molto elevato di portatori liberi e
disponibili per la conduzione di carica
In un semiconduttore un certo numero di elettroni ha un legame debole e può facilmente
liberarsi (ad esempio per ionizzazione termica) e diventare disponibile per la conduzione
Le proprietà di conduzione di un materiale possono essere caratterizzate dai parametri
conducibilità σ (proporzionale al numero dei portatori di carica liberi) o resistività ρ
• Per gli isolanti ρ>105 Ω·cm
• Per i conduttori ρ<10-2 Ω·cm
• Nei semiconduttori ρ può essere modificata in
maniera controllata
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Struttura cristallina del silicio
Il silicio in forma cristallina ha
la stessa struttura reticolare
periodica del diamante;
ciascun atomo di silicio ha 4
elettroni che formano legami
covalenti con i quattro atomi
più vicini, disposti in una
struttura tetraedrica
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Silicio intrinseco
A basse temperature i portatori (elettroni) liberi sono in numero esiguo. A
temperatura ambiente alcuni elettroni possono liberarsi da un legame
acquisendo energia per effetti termici, lasciando un legame incompleto
(buca o lacuna)
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Silicio intrinseco
Quando si rompe un legame covalente, un elettrone abbandona il suo
atomo, al quale rimane quindi associata una carica positiva, uguale in
valore assoluto alla carica dell’elettrone (generazione)
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Silicio intrinseco
Un elettrone da un atomo vicino può essere attratto da questa carica
positiva e può riempire la lacuna precedentemente creata,
determinando però a sua volta un’altra lacuna
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Silicio intrinseco
Il processo si può ripetere con il risultato che di fatto le lacune si
possono considerare come portatori mobili di carica unitaria
positiva (mentre gli elettroni sono portatori di carica negativa),
disponibili per la conduzione di corrente elettrica
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Silicio intrinseco
Nel silicio intrinseco il numero degli elettroni liberi è uguale al numero
delle lacune, in modo tale che il materiale rimane elettricamente neutro.
Elettroni e lacune liberi si muovono nella struttura cristallina e nel
processo alcuni elettroni possono riempire alcune lacune
(ricombinazione)
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Silicio drogato
La concentrazione di portatori di carica liberi può essere aumentata
introducendo atomi droganti (impurità). Ad esempio si possono
introdurre nel reticolo cristallino atomi con 5 elettroni esterni, come
fosforo o arsenico (atomi donatori)
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Silicio drogato
Quattro elettroni formano legami covalenti con i 4 atomi adiacenti di
silicio. Il quinto elettrone, debolmente legato, si libera molto
facilmente e diventa disponibile per la conduzione. Gli atomi donatori
diventano cariche positive fisse nel reticolo. Il silicio drogato con
donatori viene detto silicio di tipo N
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Silicio drogato
E’ possibile drogare il silicio anche con atomi accettori (boro), che
hanno 3 elettroni esterni. Questi atomi hanno un legame mancante che
può essere riempito da un elettrone libero nel reticolo. In questo modo
si crea una lacuna libera (carica positiva) disponibile per la conduzione
di corrente nel semiconduttore
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Silicio drogato
Gli atomi accettori diventano cariche negative fisse nel reticolo. Il
silicio drogato con accettori viene detto silicio di tipo P
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Diffusione e deriva
I meccanismi in base ai quali elettroni e lacune si muovono attraverso
un cristallo di silicio sono due
Diffusione. Se la concentrazione, ad esempio di elettroni liberi, in una regione
del silicio è maggiore di quella in un’altra regione, allora gli elettroni diffondono
dalla regione ad alta concentrazione a quella a bassa concentrazione. Questo
processo di diffusione dà luogo ad un flusso di cariche elettriche, cioè a una
corrente di diffusione
Deriva. Il moto per deriva dei portatori di carica si ha quando un campo elettrico
viene applicato attraverso un pezzo di silicio. Elettroni e lacune liberi sono
accelerati dal campo elettrico e acquisiscono una componente di velocità detta
velocità di deriva. Il flusso delle cariche elettriche che ne risulta dà luogo alla
corrente di deriva
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