FISICA DEI SEMICONDUTTORI
Maristella Fracastoro
Liceo “Volterra”
Ciampino
Seminari di Fisica Moderna
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Fisica dei semiconduttori (M. Fracastoro)
Relatività ristretta (E. Giaché)
Relatività generale (V. Fafone)
Meccanica quantistica (O. Di Biagio)
Perché questi seminari di fisica?
Progetto Fisica Moderna
(dal 2003 in questa scuola)
• Scopi:
– Diffondere la conoscenza delle tematiche di cui si
interessa la Fisica oggi
– Costituire uno spunto per approfondimenti da realizzare in
classe e/o per eventuali tesine di maturità
– Incentivare l’interesse verso le Facoltà scientifiche
(progetto Lauree Scientifiche, con l’Università di Tor
Vergata - iniziato nel 2005 - per poche scuole “pilota”, tra
cui la nostra)
Naturalmente…..
Perché questi seminari di fisica?
…Naturalmente non possiamo dare
conoscenze approfondite, ma ci piacerebbe
che usciste con qualche informazione in più di
quando siete entrati!
Per questo, alla fine vi verrà proposto un
questionario!!
Le tappe principali della Fisica
classica
• Galileo (1564-1642): metodo sperimentale
• Newton, 1687:
“Philosophiae naturalis principia mathematica”
• Carnot, Kelvin, Clausius, Mayer, Boltzmann
(XIX secolo):
Principi della Termodinamica
• Maxwell, 1873:
“Treatise on electricity and magnetism”
Crisi della Fisica classica
Alla fine dell’800, proprio quando si era raggiunta
una sintesi dell’elettromagnetismo ad opera di
Maxwell, nuovi problemi sono in agguato….
…Infatti:
• Come spiegare:
L’effetto fotoelettrico?
Lo spettro del corpo nero?
• Dove trovare:
Il sistema di riferimento in cui la luce aveva la velocità
prevista dalle equazioni di Maxwell?
FISICA MODERNA
(1900)
• Relatività
• Meccanica Quantistica
FISICA MODERNA
(1900)
• Relatività
Fisica delle particelle
elementari
• Meccanica
Quantistica
Fisica della materia
condensata
Fisica della materia condensata
Proprietà ottiche, elettriche, meccaniche,
magnetiche dei materiali:
• Semiconduttori
• Superconduttori
• Materiali ferromagnetici
Nanotecnologie e nanoscienze
Semiconduttori
Che cosa sono e quali sono le loro
applicazioni?
Sono materiali con una conducibilità intermedia
tra quella di un buon conduttore e quella di un
buon isolante
Possono essere usati, tra l’altro, per le seguenti
applicazioni:
Diodi, transistor, laser, LED
Celle solari
Breve storia dei semiconduttori
• Sono stati scoperti da Faraday nel 1833, poiché
sono materiali con un comportamento anomalo
della conducibilità in funzione della temperatura
(la resistività diminuisce all’aumentare della
temperatura, anziché aumentare, come nei
normali conduttori).
Resistenza elettrica
R = ρ l / S (2a legge di Ohm)
l = lunghezza del conduttore; S = sezione del
conduttore;
ρ = ρ0 (1 + α ∆t)
è la resistività del materiale.
Nei conduttori essa aumenta all’aumentare della
temperatura (α positivo).
Invece, nei semiconduttori, essa diminuisce
all’aumentare della temperatura (α negativo). In
altre parole, la conducibilità migliora, anziché
peggiorare, all’aumentare di t.
Semiconduttori
• Sono stati sviluppati negli anni dal 1940 in poi:
Bardeen, Shockley e Brattain inventarono il
primo transistor nel 1947 (Nobel nel 1956).
Il primo transistor al Silicio
I semiconduttori
hanno rivoluzionato la
nostra vita pratica!
Caratteristiche particolari dei
semiconduttori
• Possono essere “drogati”
• La loro conducibilità può essere controllata a
seconda del grado di “drogaggio”
• Possono costituire la base per dispositivi “di
stato solido” che sostituiscono le vecchie valvole
termoioniche, con grande economia di costi e di
spazio
Silicio
il semiconduttore più diffuso e
studiato
Silicio: il semiconduttore più
diffuso e studiato
Struttura di un semiconduttore
tipico
Esempio: cristallo di Si
Il Si puro (o intrinseco) possiede nello strato più esterno 4
elettroni di valenza, che formano 4 legami covalenti con
gli atomi vicini.
Allo stato puro, il Si non è un buon conduttore, perché non
vi sono elettroni liberi per la conduzione.
Però….
si può ricorrere al drogaggio, migliorando la conduzione del
Si tramite l’inserimento di atomi di elementi diversi.
Drogaggio del Silicio
Drogaggio (doping) = introduzione di atomi
di un altro elemento nel cristallo di silicio
per modificarne le proprietà elettriche.
Il silicio appartiene al IV gruppo
della tabella di Mendeleev
Drogaggio del silicio
Drogaggio (doping) = introduzione di atomi di un altro elemento nel cristallo di silicio
per modificarne le proprietà elettriche.
Il materiale drogante, con 5 elettroni di
valenza (fosforo), rispetto ai 4 del Si,
ha un elettrone in più, che può essere
ceduto facilmente alla rete: il Si si dice
drogato tipo-n.
Il materiale drogante, con 3 elettroni di
valenza (boro), rispetto ai 4 del Si, ha
un elettrone in meno (una lacuna in
più) che può essere occupata da un
elettrone vicino: il Si si dice drogato
tipo-p.
Silicio tipo n
Il materiale drogante, con 5 elettroni di valenza (fosforo),
rispetto ai 4 del Si, ha un elettrone in più, che può essere
ceduto facilmente alla rete:
Il Si si dice drogato tipo-n.
Silicio tipo p
Il materiale drogante, con 3 elettroni di valenza (boro), rispetto ai 4
del Si, ha un elettrone in meno (una lacuna in più) che può essere
occupata da un elettrone vicino:
Il Si si dice drogato tipo-p.
Moto di una lacuna
Posto vuoto
Auto
Moto delle auto
Moto delle lacune
Il posto vuoto si “sposta” nel verso opposto a quello delle auto
La lacuna si “sposta” nel verso opposto a quello degli elettroni
Esempio di semiconduttore drogato:
il diamante blu
Il diamante Hope – il diamante blu più grande al mondo – ha più di
un miliardo di anni. E’ un semiconduttore drogato, formatosi nelle
viscere della Terra e portato in superficie da un’eruzione vulcanica
nell’attuale Golconda, in India. Dall’epoca in cui è stato trovato, ai
primi del ‘600, il diamante ha avuto alterne vicende. Ai primi dell’800
fu venduto al re Giorgio IV d’Inghilterra e quando questi morì, nel
1830, i suoi debiti erano talmente enormi che il diamante venne
venduto tramite canali privati. Nel 1839 la gemma entrò a far parte
della ben nota collezione di Henry Philip Hope, l’uomo da cui prese
il nome.
Giunzione pn
• Ponendo a contatto fra loro una lamina di silicio
tipo p (p-Si) e una di silicio tipo n (n-Si), si ha il
passaggio di elettroni dalla seconda lamina alla
prima (elettroni che vanno ad occupare le
lacune).
• In questo modo, n-Si si carica positivamente
mentre p-Si si carica negativamente. Nella
regione della giunzione, si viene a creare una
barriera di potenziale tra i due tipi di Si, che
impedisce un ulteriore passaggio di elettroni da
un materiale all’altro.
Giunzione pn
Giunzione pn
Giunzione all’equilibrio
La corrente passa
Giunzione polarizzata
direttamente
La corrente non passa
Giunzione polarizzata
inversamente
Giunzione pn
come diodo
• La giunzione pn costituisce la base di un diodo
(raddrizzatore di corrente).
Infatti:
• Tramite l’applicazione di una d.d.p. esterna, la barriera di
potenziale può essere abbassata o alzata.
• Nel primo caso, altri elettroni possono fluire attraverso la
barriera e quindi passa corrente.
• Nel secondo caso, gli elettroni non possono passare
attraverso la giunzione e la corrente non fluisce.
• Dunque: si ha passaggio di corrente solo in un verso.
In conclusione:
Unendo fra loro
n-Si + p-Si
si ottiene una giunzione pn
• Nella giunzione pn la corrente passa solo in un verso e
non nel verso opposto
• Quindi:
la giunzione pn funge da “raddrizzatore di corrente”
(diodo)
Storia del Silicio
Un moderno circuito integrato
Altri usi delle giunzioni pn
LED: Light emitting diodes
Funzionano all’inverso di una cella FV:
Un elettrone si ricombina con una lacuna, emettendo un
fotone, il cui colore dipende dalla lunghezza d’onda:
Rosso, giallo, verde… recentemente è stato realizzato anche
il blu (e il bianco come sovrapposizione di colori).
OLED
Organic Light-Emitting Diodes
Confronto tra gli OLED e altre fonti tradizionali di illuminazione
Cella solare fotovoltaica
Cella solare
Giunzione pn e cella solare
fotovoltaica
• Quando la luce colpisce una giunzione pn, ogni fotone
estrae un elettrone dal suo livello energetico e lo porta
ad un livello maggiore: si crea una coppia elettronelacuna.
• Se questo processo avviene vicino alla barriera di
potenziale, questa separa le cariche, che fluiscono ai
contatti esterni costituendo una corrente elettrica.
Conclusione:
la luce è stata trasformata in una corrente elettrica
M1
Funzionamento
di una cella solare fotovoltaica
1) Un fotone di energia appropriata
viene assorbito dal Silicio
vicino alla giunzione pn
Silicio tipo n
Giunzione
2) Si crea una coppia
elettrone-lacuna
Silicio tipo p
3) La barriera di potenziale esistente nella giunzione pn
separa l’elettrone dalla lacuna
4) Si crea una corrente elettrica nel circuito esterno
Diapositiva 43
M1
Funzionamento di una cella solare fotovoltaica
Ma&Flo; 27/03/2006
La cella fotovoltaica
Principi fisici
Spettro di un corpo
nero a 5800 K, simile
a quello del Sole
5800K
E λn
Efot
1.0
2.0
λ
Energia di un fotone
al variare della sua
lunghezza d’onda
λ
Per un semiconduttore in
silicio a 20 °C una energia
di 1.12 eV (equivalente a λ
= 1.1 µm) è sufficiente per
liberare un elettrone dalla
sua banda di valenza.
L’elettrone e la lacuna
generati dall’interazione
possono produrre una
corrente elettrica.
Efficienza di una cella solare al
Silicio
I fotoni con energia inferiore a 1.12 eV (λ>1.1 µm) hanno
insufficiente energia. Si perde il 23% dell’energia solare.
Quelli con λ<1.1 µm possono generare solo una coppia di
portatori “elettrone libero-lacuna”, il resto produce solo il
riscaldamento del semiconduttore.
Come risultato si utilizza al max solo il 44 % dell’energia.
Ma la potenza utilizzabile in una tipica cella fotovoltaica
realizzata in Silicio non supera il 25 %.
Una scoperta inaspettata potrebbe fornire una cella solare
che usa tutto lo spettro del sole (2002)
Il sistema delle leghe del tipo
In1-xGaxN sfrutta tutto lo spettro
solare
BERKELEY, CA — Materials Sciences Division (MSD) of
Lawrence Berkeley National Laboratory
Impieghi delle celle solari
Illuminazione interna
irrigazione
Impieghi delle celle solari
telecomunicazioni
monitoraggio
Impieghi delle celle solari
Satelliti
Auto solari
Solar Cells
Aereo solare
L’aereo solare NASA Helios stabilisce un nuovo record di altezza
(più di 29000 m)
Energia: quale futuro?
Torre eolica
La centrale fotovoltaica di Serre
(Salerno) (2,3 MW)
Solare Termodinamico
(Progetto Archimede, C.Rubbia)
Ma forse….
…Il futuro dell’energia è anche nell’usare
meno energia!
