BANDE DI ENERGIA
Si dice banda di energia un insieme di livelli energetici posseduti dagli elettroni.
Si dice banda di valenza l'insieme degli elettroni che hanno un livello energetico
basso, tale da restare nei pressi dell'atomo di appartenenza. Si dice banda di
conduzione l'insieme di elettroni che hanno un livello energetico abbastanza alto,
tale da lasciare l'atomo di appartenenza, dando luogo ad una conduzione di tipo
elettrico. Tra la banda di valenza e la banda di conduzione vi può esser una banda
proibita, cioè un insieme di livelli energetici non consentiti, in quanto un generico
elettrone o si trova nella banda di valenza o si trova nella banda di conduzione. Se
osserviamo i seguenti diagrammi:
possiamo concludere che negli isolanti la banda proibita è molto grande, di
conseguenza sono pochi gli elettroni che raggiungono una energia sufficiente a
passare nella banda di conduzione, di conseguenza l'isolante non conduce. Nei
materiali conduttori, le due bande di valenza e di conduzione si sovrappongono,
manca, quindi la banda proibita; quindi un notevole numero di elettroni possiede
energia sufficiente ad essere considerato nella banda di conduzione, quindi il
conduttore è in grado di condurre la corrente elettrica.
Nei materiali semiconduttori la banda proibita è piccola, quindi è sufficiente un
innalzamento della temperatura per portare un certo numero di elettroni dalla
banda di valenza alla banda di conduzione.
DROGAGGIO DEI SEMICONDUTTORI
Si dicono semiconduttori alcuni materiali che hanno un comportamento
intermedio tra conduttori e isolanti; sono semiconduttori il germanio, il silicio, il
carbonio, l'arseniuro di gallio.
La struttura di un semiconduttore e del seguente tipo:
Possiamo notare che ogni atomo mette in comune quattro elettroni; essendo questi
elettroni attratti dagli atomi vicini i nuclei dei vari atomi si tengono legati tra loro
da un tipo di legame detto covalente. Normalmente tutti gli elettroni si trovano
nella banda di valenza, restano, cioè legati all'atomo di appartenenza e il
semiconduttore si comporta da isolante.
Si dice drogaggio di un semiconduttore il fatto di inserire all'interno del
semiconduttore atomi aventi valenza cinque, cioè pentavalenti, oppure atomi aventi
valenza tre, cioè trivalenti. Tra le sostanze pentavalenti ricordiamo il fosforo,
l'antimonio, l'arsenico; tra le sostanze trivalenti ricordiamo il bario, l'alluminio, il
gallio, l'indio.
Se inseriamo sostanze pentavalenti, come nel seguente schema:
vediamo che dei cinque elettroni dell'atomo pentavalente quattro vengono utilizzati
per il legame covalente, mentre il quinto elettrone resta libero. Si dice drogaggio di
tipo N quando il semiconduttore è drogato con sostanze pentavalenti, possiede
quindi elettroni liberi, diventa quindi un perfetto conduttore, cioè se lo alimentiamo
con un generatore esterno, come nel seguente schema:
vi è movimento degli elettroni liberi e quindi il semiconduttore di tipo N conduce.
Se invece inseriamo sostanze trivalenti, come nel seguente schema:
vediamo che i tre elettroni dell'atomo trivalente vengono utilizzati per il legame
covalente, mentre manca un elettrone nella banda di valenza. Si dice lacuna un
posto libero per l'elettrone nella banda di valenza; tale posto può essere occupato
da un altro elettrone il quale a sua volta crea una lacuna, di conseguenza la lacuna
può essere come una carica positiva mobile, che dà luogo ad una corrente elettrica.
Si dice drogaggio di tipo P quando il semiconduttore è drogato con sostanze
trivalenti, possiede quindi lacune libere, diventa quindi un perfetto conduttore, cioè
se lo alimentiamo con un generatore esterno, come nel seguente schema:
vi è movimento di lacune e quindi il semiconduttore di tipo P conduce.
A causa dell'aumento di temperatura un certo numero di elettroni può acquistare
energia sufficiente a passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione; per
ogni elettrone che passa nella banda di conduzione resta una lacuna nella banda di
valenza. Si dicono cariche minoritarie le coppie elettrone-lacuna che si creano in
seguito all'aumento di temperatura. Si dicono cariche maggioritarie gli elettroni
nel semiconduttore drogato di tipo N e le lacune nel semiconduttore drogato di tipo
P.
GIUNZIONE P-N
Si dice giunzione P-N l'unione di una barretta di semiconduttore di tipo P con una
di tipo N. All'atto della formazione della giunzione si verifica uno spostamento di
cariche, in particolare gli elettroni e le lacune situati nella parte centrale della
giunzione si neutralizzano, essendo cariche di segno opposto. Per ogni lacuna che
dalla zona P passa alla zona N, resta nella zona P una carica fissa negativa. Per
ogni elettrone che dalla zona N passa alla zona P resta una carica fissa positiva. Di
conseguenza, non appena un certo numero di elettroni e di lacune si sono
neutralizzate, le cariche fisse determinano una differenza di potenziale che
respinge le altre cariche facendole restare nella zona di appartenenza, tale tensione
è detta barriera di potenziale e la indichiamo con la lettera V.(si legge vugamma;
= gamma). La barriera di potenziale per il silicio vale V = 0,6 V; per il germanio
V = 0,2 V .
La situazione finale la possiamo vedere dalla seguente figura:
La zona intermedia possiede solo cariche fisse e non vi sono cariche mobili, né
elettroni, né lacune, per cui è detta zona di svuotamento.
POLARIZZAZIONE DELLA GIUNZIONE
Polarizzare una giunzione vuol dire applicare una certa tensione ai suoi estremi.
Una giunzione si dice polarizzata direttamente quando il polo positivo del
generatore, che deve essere in corrente continua, è applicato alla zona di tipo P,
come nel seguente schema:
In una giunzione polarizzata direttamente vi è conduzione di corrente quando la
tensione supera una tensione di soglia che coincide con la barriera di potenziale V
.
Una giunzione si dice polarizzata inversamente quando il polo positivo del
generatore di tensione è applicato alla zona N. Come nel seguente schema:
In una giunzione polarizzata inversamente non vi è conduzione di corrente, salvo
quella dovuta alle cariche minoritarie, che è una corrente molto piccola.
