bande di energia in un conduttore
g(E) va a zero sia al bordo
inferiore che a quello
superiore della banda
La banda di energia più
alta è parzialmente vuota
! livello di Fermi
Overlap di bande di energia in un conduttore
bande di energia nel sodio 3s1
la banda 3s è
parzialmente
vuota; l’overlap
con la banda 3p
estende la banda
permessa in cui
già cade EF
bande di energia nel magnesio 3s2
EF
la banda 3s è totalmente
occupata, ma l’overlap con la
banda 3p fa sì che EF cada in
una zona di energie permesse
1
bande di energia in un isolante
EF
energy gap
bande di energia in
un semiconduttore
EF
2
Modello classico: Drude e Lorentz, 1905
il problema: la legge di Ohm
V=RI
suggerisce una proporzionalità tra forza (campo
elettrico) e velocità (intensità di corrente)
moto “viscoso”
conduzione elettrica
nei metalli
l
I
S
V
il modello:
• gli elettroni in un conduttore si comportano come un “gas” di particelle
quasi libere che si muovono con velocità disordinata di agitazione
termica in tutte le direzioni, secondo la distribuzione di Boltzmann
(velocità termica vt )
• in presenza di un campo elettrico gli elettroni vengono accelerati in
direzione opposta al campo, acquistando una velocità media ordinata in
questa direzione (velocità di deriva vd )
• negli urti anelastici contro gli ioni del reticolo perdono l’energia in più
acquistata nell’accelerazione e ripartono con l’energia termica media
(il che spiega l’effetto Joule)
• la velocità media di deriva è quindi la velocità media acquistata sotto
l’azione del campo elettrico nel tempo medio " fra un urto e il successivo
(tempo di rilassamento)
3
superconduttori
temperatura
critica
Esperimento storico di
Kamerlingh Omnes (1911):
transizione superconduttiva di
Hg a 4,2 K
transizione superconduttiva di Mg B2 (HTCS: High Critical
Temperature Superconductor )
semiconduttori
Caratteristiche a 0K:
! banda di valenza
completamente occupata
Ec
! banda di conduzione
completamente vuota
! piccolo gap di energie proibite
Eg= 1,1 eV (Si);
0,7 eV (Ge);
1,4 eV (GaAs)
Ega
p
Ev
buca
4
a T > 0K:
semiconduttori
! un elettrone può essere
eccitato dalla banda di
valenza a quella di
conduzione
! ogni elettrone che passa in
banda di conduzione lascia
un posto vuoto (buca) in
banda di valenza
Ec
Ega
p
Ev
! - anche la buca in banda di
valenza è “mobile”, perché
può essere occupata da un
elettrone che lascia a sua
volta una buca e così via
buca
semiconduttori
! sotto l’azione di un campo
elettrico esterno il moto di
deriva avviene sia in banda
di conduzione che in banda
di valenza
! l’elettrone in banda di
valenza è in una zona “di
massa efficace negativa” e il
suo moto può essere
equiparato a quello di una
particella con massa positiva
e carica elettrica positiva
Ec
Ega
p
Ev
buca
5
conducibilità elettrica nei semiconduttori
due contributi alla conducibilità:
masse efficaci
molto piccole
mobilità
contributo degli elettroni
in banda di conduzione
contributo delle buche
in banda di valenza
conducibilità elettrica
nei semiconduttori
due contributi alla conducibilità:
contributo degli elettroni
in banda di conduzione
contributo delle buche
in banda di valenza
6
“drogaggio”
EF
livello del
donatore
donatore
drogaggio tipo “n”
con un atomo
pentavalente (fosforo)
accettore
livello
dell’accettore
EF
drogaggio tipo
“p” con un
atomo trivalente
(Al)
conducibilità elettrica in
semiconduttori drogati
EF
“n”
“p”
livello del
donatore
livello
dell’accettore
con un drogaggio di tipo “n”, la conducibilità
è dovuta praticamente solo alla densità nd dei
donatori
con un drogaggio di tipo “p”, la conducibilità
è dovuta praticamente solo alla densità na
degli accettori
EF
7
la giunzione
P-N
la giunzione
P-N
Il diodo a giunzione
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8
la giunzione P-N polarizzata
la giunzione P-N polarizzata
9
Visualizza il file zoom
diodo.webarchive
Calcolo del flusso di elettroni:
La caratteristica del diodo
Calcolo della densità di corrente:
Caratteristica del diodo:
10
raddrizzatore
Diodo LED (light emitting diode)
applicazioni
applicazioni
Un diodo agente come sorgente di radiazione
E’ costituito da una giunzione p-n polarizzata direttamente in modo da avere un
gran numero di portatori di carica che attraversano la giunzione :
elettroni dalla zona n alla zona p, lacune in senso opposto.
Nella depletion layer e in
prossimità di essa i portatori
di segno opposto si
ricombinano: l'elettrone
decade "spontaneamente",
dal livello che occupa sul
fondo della banda di
conduzione, ad un livello
vuoto (lacuna) della banda di
valenza;
l'energia perduta !E viene
emessa come fotone
11
