Resistività di un semiconduttore
La resistività di un semiconduttore può essere diminuita aumentando la concentrazione dei portatori
di carica: elettroni liberi e lacune.
L'aumento della concentrazione dei portatori di carica può essere ottenuto in due modi:
fornendo energia al materiale
oppure drogandolo.
Occorre notare tuttavia una sostanziale differenza fra i due risultati. Nel caso in cui venga fornita
energia al materiale, si ottiene un aumento della concentrazione intrinseca, cioè aumentano le
coppie elettrone libero-lacuna presenti nel materiale; quindi l’aumento delle lacune è esattamente
uguale a quello degli elettroni liberi. Nel caso di drogaggio, invece, si ottiene l’aumento di un tipo
di portatori a scapito dell’altro.
Se, per esempio, viene effettuato un drogaggio con atomi accettori, si produce un aumento di
lacune ed una conseguente diminuzione di elettroni liberi. In questo caso le lacune vengono dette
portatori maggioritari o di maggioranza, mentre gli elettroni sono detti portatori minoritari o di
minoranza. L’eventuale corrente che circolerà nel semiconduttore sarà dovuta quasi totalmente ai
portatori maggioritari, che nel nostro caso sono le lacune. Risultato opposto si ottiene mediante
drogaggio di tipo N cioè con atomi donatori.
Se forniamo energia ad un semiconduttore drogato di tipo P, cioè con atomi accettori, otteniamo
una generazione di coppie elettrone libero-lacuna. Gli elettroni liberi si aggiungeranno agli altri
elettroni liberi e le lacune alle altre lacune.
Cariche elettriche in un semiconduttore
In un semiconduttore, distinguiamo le cariche elettriche in:
portatori, cioè cariche libere:
n è la concentrazione di elettroni liberi (cariche negative)
p è la concentrazione di lacune (cariche positive)
cariche fisse, che sono gli atomi ionizzati del drogante:
NA è la concentrazione di ioni di atomi accettori (cariche negative)
ND è la concentrazione di ioni di atomi donatori(cariche positive)
In condizioni di neutralità, la somma algebrica è zero:
Correnti in un semiconduttore
In un semiconduttore, la corrente è dovuta al movimento di entrambi i tipi di portatori: elettroni
liberi (cariche negative) e lacune (cariche positive). Le lacune si muovono nel verso convenzionale
della corrente, mentre gli elettroni si muovono nel verso opposto.
La corrente totale è: I = In + Ip
dove In è la corrente dovuta al movimento degli elettroni, mentre Ip è la corrente dovuta al
movimento della lacune.
La corrente di deriva (in inglese: drift current) è dovuta al movimento dei portatori per effetto di
una tensione applicata.
In un semiconduttore: gli elettroni liberi hanno carica negativa, e si muovono verso il polo positivo
del generatore di tensione applicato; le lacune hanno carica positiva, e si muovono verso il polo
negativo del generatore di tensione applicato. In ogni caso, la corrente nel semiconduttore è diretta
dal terminale con tensione positiva verso quello con tensione negativa.
Normalmente, la velocità di deriva dei portatori dovuta alla una tensione applicata è piccola rispetto
alla velocità di agitazione termica dovuta alla temperatura. La velocità di agitazione termica degli
elettroni (
100 km/s) è molto elevata, ma ha una direzione casuale, diversa per ciascun elettrone,
e che cambia in continuazione, per cui il risultato è a media nulla (se il materiale è omogeneo). La
velocità di deriva è molto minore, ma tutti i portatori si muovono nella stessa direzione, per cui
l’effetto è percepibile. Se il materiale non è omogeneo, ma presenta differenze nella concentrazione
dei portatori, allora l’agitazione termica provoca la corrente di diffusione.
La corrente di diffusione è dovuta alla differenza di concentrazione dei portatori nelle diverse parti
del materiale. Per effetto dell’agitazione termica, i portatori si muovono in direzione casuale; di
conseguenza, è più probabile il movimento di portatori dalle zone con concentrazione maggiore
verso quelle con concentrazione minore.
Giunzione PN
Con il termine giunzione p-n si indica l'interfaccia che separa le parti di un semiconduttore
sottoposte a drogaggio di tipo differente.
La giunzione p-n è composta da due zone: una con un eccesso di elettroni (strato n) e una ad
eccedenza di lacune (strato p). Le eccedenze di elettroni e lacune si ottengono mediante drogaggio,
con varie tecniche.
Nel momento in cui viene formata la giunzione, per effetto della diffusione, si verificano un
movimento di elettroni dalla zona n verso la zona p, e un movimento di lacune dalla zona p verso la
zona n. L’aumento di portatori minoritari vicino alla giunzione provoca un aumento del tasso di
ricombinazione tra elettroni e lacune.
Per effetto della ricombinazione, le cariche fisse degli atomi accettori e donatori non sono più
controbilanciate dai portatori di segno opposto. Gli elettroni vicino alla giunzione vengono attirati
dalle cariche fisse di segno positivo (verso la zona n); le lacune vicino alla giunzione vengono
attirate dalle cariche fisse di segno negativo (verso la zona p). Vicino alla giunzione c’è una zona
completamente priva di portatori, detta regione di svuotamento o regione di carica spaziale perché
non è elettricamente neutra.
Il suo comportamento è analogo a quello di una capacità(accumulo di cariche fisse senza portatori e
quindi senza passaggio di corrente). La larghezza della zona di carica spaziale dipende dai drogaggi
e da ciascun lato è inversamente proporzionale al drogaggio del semiconduttore.
Schema di una giunzione p-n, insieme all'andamento della carica elettrica, del campo elettrico, e del potenziale elettrico
lungo la giunzione.
Le giunzioni p-n sono comunemente usate come diodi: dispositivi elettronici che
permettono un flusso di corrente in una direzione ma non in quella opposta. Questo risultato può
essere ottenuto incrementando o riducendo l'estensione dello strato non conduttivo (la zona
svuotata) grazie agli effetti della polarizzazione inversa e della polarizzazione diretta, dove il
termine polarizzazione indica l'applicazione di una tensione elettrica alla giunzione p-n. La tensione
esterna infatti ne influenza la dimensione, richiamando un maggiore o minore numero di portatori; a
seconda della densità di portatori disponibili, e quindi del tipo di semiconduttore scelto e del tipo di
drogaggio con il quale è stato prodotto, sarà possibile variare con un ulteriore grado di libertà
l'estensione della regione di svuotamento.
Polarizzazione diretta
Si ha polarizzazione diretta quando la parte di tipo P è connessa al terminale positivo del generatore
di tensione, mentre la parte di tipo N è connessa al terminale negativo.
In questa configurazione, le lacune nella regione di tipo P e gli elettroni nella regione di tipo N sono
spinti verso la giunzione. Questo riduce l'ampiezza della zona svuotata e la tensione positiva
applicata al dispositivo si concentra quasi completamente ai capi della zona di carica spaziale
abbassando la barriera di potenziale.
A cavallo della giunzione ci sono 2 campi elettrici :
E0 presente sulla giunzione che impedisce la diffusione dei portatori maggioritari
Eg esercitato dal generatore esterno
Il campo elettrico totale ET=E0-Eg non è più in grado di contrastare la diffusione dei portatori
maggioritari, per cui la diffusione riprende e provoca il passaggio di corrente attraverso la
giunzione. Questa corrente è tanto maggiore.quanto più elevato è il valore di Eg, cioè quanto
maggiore è la tensione Vg del generatore. La corrente, che varia esponenzialmente con la tensione
applicata.
Polarizzazione inversa
La polarizzazione inversa si ottiene collegando la regione di tipo P al terminale negativo
dell'alimentazione e la regione di tipo N al terminale positivo. Il campo elettrico Eg esercitato dal
generatore ha lo stesso verso di E0, quindi ET=Eg+E0
Poiché la regione di tipo P è connessa al terminale negativo dell'alimentazione, le lacune nella
regione di tipo P vengono spinte lontano dalla giunzione, facendo crescere l'ampiezza della zona
svuotata. Lo stesso succede nella zona di tipo N, dove gli elettroni vengono spinti lontano dalla
giunzione a causa dell'azione del terminale positivo dell'alimentazione. Si ottiene una diminuzione
dei portatori minoritari in prossimità della zona di svuotamento. Aumenta l'ampiezza della zona
svuotata. La giunzione viene attraversata da una piccola corrente dovuta ai portatori minoritari,
spinti dal gradiente di concentrazione che si crea alati della zona di svuotamento, mentre,
all’interno di questa vengono spinti dal forte campo elettrico (corrente di deriva).
La corrente invera aumenta con l’aumentare della tensione ma, quando questa supera 0,1v, la
corrente inversa rimane costante e prende il nome di corrente invera di saturazione. Ha valori molto
piccoli ( spesso viene trascurata) e non dipende dalla tensione applicata, purchè la tensione rimanga
inferiore alla tensione di rottura ( break down). La tensione di break down genera nella zona di
svuotamento una enorme quantità di portatori di carica mediante 2 processi:
effetto Zener
effetto valanga
Effetto Zener
Si genera quando a causa della tensione inversa applicata, il campo elettrico Eg raggiunge un valore
tale da riuscire ha strappare elettroni dai legami covalenti. Questi elettroni ormai liberi vengono
spinti in circolazione dando luogo ad una elevata corrente.
Effetto valanga
Si genera quando un elettrone, accelerato per azione del campo elettrico, raggiunge un valore di
energia cinetica sufficiente a rompere un legame covalente dell’atomo urtato e libera un altro
elettrone. Questi 2 elettroni, con lo stesso meccanismo, ne producono altri 2, i 4 risultanti ne
producono altri 4 e così via. Si ottiene una moltiplicazione a valanga.
Il break down è un fenomeno non distruttivo se la corrente viene opportunamente limitata evitando
un eccessivo aumento della temperatura sulla giunzione.
