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SEMICONDUTTORI
Dal punto di vista elettrico i materiali si suddividono in conduttori, isolanti e semiconduttori e
sono caratterizzati dal parametro chiamato : resistenza elettrica (Ω) che lega la tensione
applicata e la corrente che scorre all’interno del materiale attraverso la legge di OHM
-2
R molto piccolo  CONDUTTORE ~ 10
V = R*I
legge di ohm
Ω*cm
5
R molto elevato  ISOLANTE ~ 10 Ω*cm
Nella rappresentazione classica di microsistema planetario di un atomo
costituito da un nucleo centrale positivo (protoni + neutroni) e da
cariche negative, elettroni che ruotano attorno ad esso
All’interno di un cristallo formato da numerosi atomi, qui gli elettroni
sono liberi di muoversi senza uscire da esso, questo movimento di
cariche rappresenta la corrente elettrica.
In un cristallo gli elettroni di un atomo sono influenzati da tutti gli altri elettroni e
nuclei degli altri atomi. I livelli energetici dei singoli atomi vengono modificati e
condivisi con quelli degli altri atomi.
Si ottengono delle bande di energia formate da un insieme di livelli discreti di
energia, ma il numero elevato di questi livelli fa si che la banda possa essere intesa
come un tratto continuo di energia.
BANDA DI VALENZA: contiene tutti gli elettroni che intervengono nella
fomazione dei legami chimici.
BANDA DI CONDUZIONE: tutti gli elettroni sono liberi. Per ottenere la
conduzione tutti gli elettroni devono spostarsi nella banda di conduzione ma
questo richiede il salto di un gap, la banda priobita.
Nel primo caso, nei conduttori, anche l’azione di un debole campo elettrico
può spostare elettroni per avere corrente elettrica.
Nel secondo, negli isolanti, gli elettroni non andranno mai in conduzione, un
alevato campo elettrico provocherebbe solamente una perforazione del
materiale
Caso intermedio, semiconduttori.
I semiconduttori puri possono condurre elettricità ad elevata temperatura e
grandi campi elettrici.
I dispositivi più utilizzati in elettronica sono i componenti a semiconduttore. I
materiali utilizzati per la loro realizzazione sono
•
Silicio (Si) prevalentemente
•
Germanio (Ge), Arseniuro di Gallio (AsGa) raramente
I
semiconduttori
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.
Questo fa in modo che gli elettroni
risultino saldamente vincolati nel
reticolo cristallino.
La conduttività è bassissima e i
semiconduttori si comportano
come isolanti.
T=0K
T>0K
Un semiconduttore a bassissima temperatura (~ 0 K) ⇒ si comporta come un isolante.
a temperatura ambiente (~ 300 K) alcuni legami covalenti sono rotti
(energia termica fornita al cristallo)
la conduzione diventa possibile (elettroni liberi – cerchietti rossi ).
La mancanza di un elettrone in un
legame covalente (cerchietti verdi) è
detta LACUNA.
Una lacuna può fungere da portatore
libero di carica.
n = p = ni = concentrazione intrinseca di elettroni (lacune) nel silicio puro
Legge di azione di massa : np= ni2
Se n oppure p variano per qualche ragione, l’altro fattore di questa relazione
varia in direzione opposta in modo da mantenere costante il prodotto.
Introducendo delle impurezze nel cristallo di semiconduttore si possono alterare le sue
proprietà elettriche.
In particolare la sua conducibilità può aumentare di diversi ordini di grandezza.
impurezze pentavalenti – arsenico, fosforo,
antimonio :
un elettrone non partecipa ai legami covalenti
 contribuisce alla concentrazione di elettroni
liberi
drogaggio di tipo n
(donori ND= concentrazione di donori )
impurezze trivalenti – boro, indio, gallio:
nella struttura cristallina manca un
elettrone  si ha una lacuna
drogaggio di tipo p
(accettori NA= concentrazione di
accettori)
IL DROGAGGIO DEI SEMICONDUTTORI
E’ un fenomeno con il quale inseriamo nella struttura cristallina di un
materiale semiconduttore
materiali pentavalenti (fosforo, arsenico, antimonio) donatori
materiali trivalenti (boro, gallio,Indio) accettori
•
•
•
•
•
Materiali pentavalenti
Drogaggio di tipo N
Aumentano gli elettroni liberi
Cariche maggioritarie: elettroni
Cariche minoritarie: lacune
•
•
•
•
•
Materiali trivalenti
Drogaggio di tipo P
Aumentano le lacune libere
Cariche maggioritarie: lacune
Cariche minoritarie: elettroni
Semiconduttore
intrinseco
Semiconduttore
drogato n
Semiconduttore
drogato p
La conduzione può avvenire per effetto di spostamento di coppie elettroni-lacune
del materiale puro (minority carrier) dando luogo alla conduzione intrinseca, o a
causa del drogante (majority carrier),conduzione estrinseca.
Minority carrier(rottura del legame)
Si
+
As
+
-- -- +- --
+
+
+
+
+
Majority carrier(dovuto al drogante)
+
+
+
+-
+
+- ++
+
+
+ +
+ -
-
Vediamo cosa succede se avviciniamo Silicio di tipo-N e di tipo-P
All’equilibrio si
forma una regione
di carica spaziale
LA GIUNZIONE P-N
L’unione di una zona drogata di tipo p con una zona drogata di tipo n crea
una giunzione p-n.
In prossimità della giunzione
• Alcuni elettroni della zona n passano nella zona p ricombinandosi con le
lacune e dando luogo a ioni negativi (-)
• Alcune lacune della zona p passano nella zona n ricombinandosi con gli
elettroni e dando luogo a ioni positivi (+)
Ai capi della giunzione si crea una differenza di potenziale di alcuni decimi
di volt. Questa d.d.p.
•ostacola un’ulteriore diffusione di cariche maggioritarie
(corrente di diffusione)
•favorisce un flusso di cariche minoritarie in senso opposto
(corrente di deriva)
Si raggiunge l’equilibrio quando queste due correnti si uguagliano
Conseguenze della diffusione di portatori di carica
barretta di silicio drogata in modo non uniforme (GIUNZIONE p-n)
+ + + +
+
- - -
+ + + +
+ + + +
+
+
- - - - -
drogaggio p
-
-
drogaggio n
diffusione (in un tempo brevissimo)
di lacune verso destra e di elettroni
verso sinistra
alta probabilità di
ricombinazione tra
lacune e elettroni in
prossimità della
giunzione
+ + + + 1
+ + + + + + + + drogaggio p
campo E
- - + - 2- + - - +
-
drogaggio n
cattura
lacune nella parte n e
zona didisvuotamento
di elettroni nella parte p
(non ci sono cariche libere)
La nuova distribuzione di cariche genera un campo elettrico che si oppone alla
diffusione  corrente totale = 0 a circuito aperto.
barriera di potenziale sia per gli elettroni
dalla parte n che per le lacune dalla parte p.
Idiff dovuta alla ricombinazione
elettroni/lacune
(spostamento di portatori maggioritari)
si genera un campo elettrico e
una barriera di potenziale
il campo elettrico spinge i portatori
minoritari attraverso la giunzione Ideriva
Idiff
Ideriva
k = costante di Boltzmann
all’equilibrio: Idiff = Ideriva = C e
-qVo/kT
 Itot = Idiff - Ideriva = 0
Questo discorso vale a circuito aperto e senza alcuna polarizzazione esterna,
cioè senza l’applicazione di ddp esterne (batteria)
Applichiamo una ddp V
P
1 – polarizzazione diretta:
• – su zona n
• + su zona p
N
+ + + + -
+
- -
-
-
+ + + + + + + + -
+ - + - -
-
-
I
+ -
 diminuisce la tensione ai capi della giunzione
 si riduce la zona di svuotamento
 Ideriva (corrente deriva) rimane costante
 Idiff (corrente di diffusione) dipende dalla barriera di potenziale
 Nel circuito esterno gli elettroni escono da polo – della batteria ed entrano in N.
contemporaneamente entrano elettroni nel polo + che vengono dalla zona P.
 La corrente va da p a n, è dovuta alle cariche maggioritarie
2 – polarizzazione inversa:
• + su zona n
• – su zona p
P
N
+ + + + -
+
+ + + + + + + + -
+ - + - -
-
- -
-
-
I
+
•
allontanamento dei portatori liberi dalla giunzione
• si allarga la zona di svuotamento
• aumenta la tensione ai capi della giunzione (non c’è corrente dovuta alle cariche maggioritarie)
• Ideriva rimane costante
• Idiff dipende dalla barriera di potenziale
• La corrente va da n a p, è dovuta alle cariche minoritarie, è debolissima
• Corrente inversa di saturazione