Fisica dei semiconduttori
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Un semiconduttore è un materiale isolante a temperature molto basse, ma che ha una apprezzabile conducibilità elettrica a temperatura ambiente. La distinzione tra un semiconduttore e un isolante non è molto ben definita; si può dire che un semiconduttore è un isolante con una banda proibita piccola a sufficienza perché la sua banda di conduzione sia apprezzabilmente popolata a temperatura ambiente.
Per informazioni su come i semiconduttori sono usati nei dispositivi elettronici, vedi dispositivi a semiconduttore.
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[modifica] Fondamenti di fisica dei semiconduttori
Nell'ambito della fisica dello stato solido, i semiconduttori (e gli isolanti) sono definiti come solidi nei quali a 0 K (e senza eccitazioni esterne) è completamente piena la banda a energia più elevata di stati elettronici di energia occupati. È ben noto dalla fisica dello stato solido che la conduzione elettrica nei solidi avviene solo quando si abbia una banda di stati elettronici non completamente piena, così la conduzione nei semiconduttori puri avviene solo quando gli elettroni sono stati eccitati (termicamente, otticamente, etc.) e portati nelle bande a energia superiore.
A temperatura ambiente, una porzione (generalmente molto piccola, ma non trascurabile) di elettroni in un semiconduttore sono stati termicamente eccitati e portati dalla "banda di valenza", la banda completa a 0 K, alla "banda di conduzione", la più vicina banda superiore. La facilità con cui gli elettroni possono essere portati dalla banda di valenza alla banda di conduzione dipende dal gap di energia tra le bande, ed è la grandezza di questo gap di energia che serve come parametro per dividere i semiconduttori dagli isolanti. I semiconduttori generalmente hanno gap di energia di circa 1 elettron-volt, mentre gli isolanti hanno gap di energia molte volte maggiori.
Quando gli elettroni sono portati dalla banda di valenza alla banda di conduzione in un semiconduttore, entrambe le bande contribuiscono alla conduzione, perché la conduzione può avvenire in ogni banda di energia non completamente piena. Gli elettroni nella banda di conduzione sono chiamati "elettroni liberi," anche se spesso li si chiama semplicemente "elettroni" se il contesto permette di essere comunque chiari. Gli stati energetici liberi nella banda di valenza sono chiamati "lacune" (o "holes"). Benché non siano in effetti delle vere entità fisiche (anzi sono l'assenza di elettroni in certi stati energetici), si può mostrare che hanno un comportamento molto simile a quello di particelle cariche positivamente, e sono usualmente trattati come se fossero vere particelle cariche. Per fare un paragone, le lacune sono le bollicine di gas all'interno di un liquido come l'acqua minerale. Anziché analizzare il moto di tutta la massa d'acqua è più semplice seguire il moto delle bollicine di gas.
[modifica] Il drogaggio dei semiconduttori
maggiori motivi per cui i semiconduttori sono utili nell'elettronica è che le loro proprietà elettroniche possono essere fortemente modificate in modo altamente controllato aggiungendo piccole quantità di impurità. Queste impurità, chiamate droganti, sono classificabili in due tipi: quelle che fornisco un eccesso di elettroni alla banda di conduzione, e quelle che forniscono un eccesso di lacune alla banda di valenza. Un semiconduttore con eccesso di elettroni è detto semiconduttore tipo n, mentre un semiconduttore con un eccesso di lacune è detto semiconduttore tipo p.
I droganti più comuni di tipo n per il silicio sono il fosforo e l'arsenico. Da notare che entrambi questi elementi sono nel Gruppo V della tavola periodica, e il silicio è nel Gruppo IV. Quando il silicio è drogato con atomi di arsenico o di fosforo, gli atomi di questi droganti sostituiscono atomi di silicio nel reticolo cristallino del semiconduttore, ma poiché hanno un elettrone esterno in più del silicio, essi tendono a fornire questo elettrone alla banda di conduzione. Il drogante di tipo p di gran lunga più usato per il silicio è l'elemento del Gruppo III boro, il quale ha un elettrone esterno in meno del silicio e così tende a prendere un elettrone dalla banda di valenza, e quindi a creare una lacuna.
Un drogaggio pesante del semiconduttore può aumentare la sua conduttività di un fattore di oltre un miliardo. Nei moderni circuiti integrati, per esempio, il silicio policristallino pesantemente drogato è spesso usato al posto dei metalli.
[modifica] Semiconduttori intrinseci e estrinseci
Un semiconduttore intrinseco è un semiconduttore sufficientemente puro per cui le impurità non influiscono apprezzabilmente il suo comportamento elettrico. In questo caso, tutti i portatori di carica sono dovuti all'eccitazione termica o ottica degli elettroni, che dalla banda di valenza completa passano alla banda di conduzione, vuota. In questo modo in un semiconduttore intrinseco c'è lo stesso numero di elettroni e lacune. Gli elettroni e le lacune, se sottoposti a un campo elettrico, si muovono in direzioni opposte, ma contribuiscono alla corrente con lo stesso segno, avendo carica elettrica opposta. La corrente dovuta alle lacune e quella dovuta agli elettroni non è tuttavia necessariamente uguale in un semiconduttore intrinseco, poiché gli elettroni e le lacune hanno diversa mobilità elettrica.
La concentrazione di portatori di carica è fortemente dipendente dalla temperatura. Alle basse temperature, la banda di valenza è completamente piena, rendendo il materiale un isolante (vedi conduzione elettrica per approfondimenti). L' aumento della temperatura porta a un aumento del numero di portatori di carica e a un corrispondente aumento della conduttività. Questo principio è usato nei termistori. Questo comportamento contrasta nettamente con quello della maggior parte dei metalli, che tendono a essere meno conduttivi alle alte temperature a causa dell'aumento dello scattering dei fotoni.
Un semiconduttore estrinseco è un semiconduttore che è stato drogato con impurità per modificare il numero e il tipo dei portatori liberi di carica.
[modifica] Drogaggio tipo n
Lo scopo del drogaggio di tipo n è produrre un eccesso di elettroni liberi nel materiale. Per comprendere come si effettua il drogaggio di tipo n, consideriamo il caso del silicio (Si). Gli atomi di Si hanno quattro elettroni di valenza, ciascuno dei quali è legato in modo covalente a uno dei quattro atomi adiacenti di Si. Se un atomo con cinque elettroni di valenza, come uno del Gruppo VA della tavola periodica (e.g. fosforo (P),arsenico (As), o antimonio (Sb)), è incorporato nel reticolo cristallino al posto di un atomo di Si, allora quell'atomo avrà quattro legami covalenti e un elettrone senza legami. Questo elettrone aggiuntivo è solo debolmente legato all'atomo e può essere facilmente portato nella banda di conduzione. Già alle normali temperature praticamente tutti questi elettroni sono in banda di conduzione. Poiché l'eccitazione di questi elettroni non crea lacune in banda di valenza, il numero di elettroni in questi materiali è superiore a quello delle lacune. In questo caso gli elettroni sono i portatori di carica maggioritari e le lacune i portatori di carica minoritari. Poiché gli atomi a cinque elettroni esterni hanno un elettrone da "donare", tali atomi si indicano col nome di atomi "donatori" o "donori".
[modifica] Drogaggio tipo p
Lo scopo del drogaggio di tipo p è produrre un eccesso di lacune nel materiale. Nel caso del silicio, un atomo trivalente, come il boro, sostituisce un atomo di Si nel reticolo cristallino. Il risultato è che un elettrone manca da uno dei possibili quattro legami covalenti. In tal modo l'atomo può accettare un elettrone dalla banda di valenza per completare il quarto legame, questo genera la formazione di una lacuna. Questi droganti sono chiamati "accettori". Quando un numero sufficientemente grande di accettori viene aggiunto, le lacune diventano molto più numerose degli elettroni liberi. Così, le lacune sono i portatori di carica maggioritari, mentre gli elettroni sono i portatori di carica minoritari nei materiali tipo p. I diamanti blu (Tipo IIb), che contengono impurità di boro, sono un esempio di semiconduttore naturalmente drogato p.
[modifica] Giunzioni p-n
Una giunzione p-n può essere creata drogando regioni vicine di un semiconduttore con droganti di tipo p e di tipo n. Se una tensione elettrica positiva viene applicata al lato di tipo p, i portatori di carica positivi, le lacune, maggioritari in questa regione sono spinti verso la giunzione. Ugualmente, i portatori di carica maggioritari nel lato n, gli elettroni, vengono attratti dalla tensione positiva e quindi sono attratti verso la giunzione. Poiché si ha una abbondanza di portatori di carica presso la giunzione, la corrente può scorrere attraverso la giunzione, sotto l'azione di una sorgente, come una batteria. Se invece la polarizzazione della tensione viene invertita, le lacune e gli elettroni vengono allontanati dalla giunzione, lasciando una regione di silicio quasi non conduttore che non consente il flusso di corrente. La giunzione p-n è la base del dispositivo elettronico chiamato diodo, che consente il flusso di corrente solo in una direzione del dispositivo.
Due giunzioni p-n molto ravvicinate tra di loro formano invece il dispositivo a tre terminali transistor bipolare (che può essere o p-n-p o n-p-n).
[modifica] Purezza e perfezione dei materiali semiconduttori
I semiconduttori con proprietà elettroniche predicibili e affidabili sono difficili da produrre in serie a causa della necessaria purezza chimica, e la perfezione della struttura cristallina, che sono necessarie per realizzare dispositivi. La presenza di impurità, anche in concentrazioni molto basse, può causare grandi effetti sulle proprietà del materiale; per questo, il livello di purezza chimica necessario è molto elevato. Le tecniche per ottenere tale purezza includono il raffinameno a zone, nel quale parte del cristallo solido viene fuso. Le impurità tendono a concentrarsi nella regione fusa, rendendo più puro il materiale solido. È anche richiesto un elevato grado di perfezione del reticolo cristallino, poiché i difetti nella struttura cristallina, come le dislocazioni, vacanze reticolari e errori di impaccamento, creano livelli di energia all'interno del gap tra le bande, interferendo con le proprietà elettroniche del materiale. Difetti come questi sono una delle cause principali che portano, durante il processo di produzione, a un dispositivo inutilizzabile. Più è grande il cristallo, più è difficile ottenere le necessarie purezza e perfezione; attualmente i processi di produzione in serie usano cristalli del diametro di otto pollici (circa 20 centimetri) che sono fatti crescere in forma cilindrica (processo Czochralski),e poi "affettati" in fette dette wafer.
[modifica] Voci correlate
[modifica] Voci correlate
[modifica] Approfondimenti
- Fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore
- Impiantazione ionica
- Dispositivi a semiconduttore
- Materiali semiconduttori
- Arseniuro di alluminio
- Arseniuro di alluminio-gallio
- Nitrato di boro
- Diamante
- Arseniuro di gallio
- Nitruro di gallio
- Germanio
- Fosfuro di indio
- Silicio
- Carburo di silicio
- Germaniuro di silicio
- SOI(silicio su isolante)
- Semiconduttori organici
[modifica] Collegamenti esterni
- Electrical Engineering Training Series Serie di articoli sui semiconduttori e i transistori.
- Semiconductor Technology Informazioni riguardo l'industria dei semiconduttori.
- NSM-Archive Proprietà fisiche dei semiconduttori (come Si, GaAs e altri), inclusa la struttura delle bande e le proprietà meccaniche, elettriche, termiche e ottiche
- [http:/éce-www.colorado.edu/~bart/book/book/ Principles of Semiconductor Devices]
- Britney Spears Guide to Semiconductor Physics
- Semiconductor resource launch page
- Semiconductor glossary
