I semiconduttori costituiscono un materiale di fondamentale importanza nel campo dell’elettronica usati in dispositivi come transistor, diodi, circuiti integrati, celle solari, LED, fotocellule, telefoni satellitari. Il fisico tedesco Thomas Johann Seebeck fu il primo a notare gli effetti dovuti ai semiconduttori nel 1821
I semiconduttori mostrano una conducibilità intermedia tra i conduttori e gli isolanti ed inoltre la conducibilità dipende in modo diretto dalla temperatura
La teoria delle bande fornisce una esauriente interpretazione delle proprietà elettriche dei conduttori, degli isolanti e dei semiconduttori.
A tal fine rivestono notevole importanza due bande di energia: la banda di valenza e la banda di conduzione. La banda di valenza è quella che prende origine dall’interazione degli orbitali atomici di valenza degli atomi che costituiscono il materiale: metallo, isolante, semiconduttore.
Banda di valenza e banda di conduzione
Essa, in dipendenza dalla natura del materiale, può essere completamente oppure parzialmente riempita di elettroni. La banda di conduzione è quella che prende origine dall’interazione degli orbitali atomici caratterizzati da energia più elevata di quella degli orbitali atomici di valenza degli atomi che costituiscono il cristallo, e pertanto l’energia di questa banda è maggiore dell’energia della banda di valenza.
La banda di conduzione, a differenza della banda di valenza, è normalmente vuota in quanto essa prende origine da orbitali atomici che di norma non ospitano elettroni.
Queste due bande di energia, in dipendenza della reciproca posizione degli atomi che costituiscono il cristallo possono:
– essere adiacenti o addirittura parzialmente sovrapposte; in questo caso è molto facile lo scorrimento degli elettroni da una banda all’altra
– essere separate da una zona proibita di energia denominata gap di energia. In questo caso è molto difficile lo scorrimento degli elettroni da una banda all’altra.
Il primo caso, indipendentemente dal non completo o completo riempimento della banda di valenza, è tipico dei materiali conduttori. In essi la banda di valenza è adiacente o addirittura parzialmente sovrapposta a quella di conduzione.
Il secondo caso, in cui le due bande, quella di valenza completamente piena di elettroni e quella di conduzione (vuota) sono separate da un gap di energia, è invece quello tipico degli isolanti e dei semiconduttori. Negli isolanti la banda di valenza è separata da quella di conduzione da un gap di energia il cui ammontare è di qualche elettronvolt per mole di elettroni. Nei semiconduttori invece il gap di energia fra le due bande è minore di un elettronvolt per mole di elettroni.
Classificazione
I semiconduttori sono classificati come semiconduttori intrinseci ed estrinseci.
Nei semiconduttori intrinseci quando un elettrone salta dalla banda di valenza a quella di conduzione si verifica una lacuna elettronica con conseguente formazione di un buco positivo che può essere riempito da un elettrone di un atomo adiacente. In questo modo i buchi si spostano all’interno della banda di valenza e contribuiscono, unitamente all’elettrone presente nella banda di conduzione, contribuendo al passaggio di corrente.
Un semiconduttore puro ha un numero di elettroni nella banda di conduzione pari al numero di lacune elettroniche.
In un semiconduttore intrinseco, costituito ad esempio da silicio o da germanio tutti gli elettroni di valenza sono utilizzati per la formazione di legami covalenti. Essi pertanto si trovano nella banda di valenza e solo se opportunamente eccitati alcuni elettroni possono passare nella banda di conduzione.
Tuttavia se a tale semiconduttore è aggiunta una piccolissima quantità di impurezza (1 atomo ogni 106 atomi) si verifica il drogaggio del semiconduttore che diviene un semiconduttore estrinseco.
Semiconduttori di tipo n
Consideriamo, ad esempio, un reticolo cristallino costituito da germanio. Se ad esso è aggiunto come dopante arsenico, fosforo o antimonio che hanno 5 elettroni di valenza essi
si inseriscono nel reticolo formando 4 legami covalenti con il germanio e rimane un elettrone non legato che è libero di muoversi.
Un tale tipo di semiconduttore, detto di tipo n (dove n sta per negativo) possiede elettroni liberi. Essi hanno una propria banda di energia che si trova appena al di sotto alla banda di conduzione. Il livello Fermi non è più situato a metà del gap di energie proibite, ma è spostato verso l’alto, cioè verso la banda di conduzione. Ciò significa che a temperatura ambiente gli elettroni possono saltare facilmente nella banda di conduzione sotto l’azione di un campo elettrico
Semiconduttori di tipo p
Se, invece, a un semiconduttore intrinseco è aggiunto come dopante , boro, alluminio o gallio che hanno 3 elettroni di valenza essi si inseriscono nel reticolo. Tuttavia avendo un elettrone in meno si forma un buco positivo che prende elettroni dagli atomi circostanti in modo da riempire la lacuna elettronica ma creandone un’altra.
Gli elettroni che passano da un buco all’altro hanno un’energia di poco superiore alla banda di valenza
In questo caso l’impurità genera livelli energetici vuoti nelle banda di valenza, cioè si ha un certo numero di lacune in assenza di eccitazione termica. Si ha dunque un eccesso di portatori di carica positivi e per questo il semiconduttore si dice di tipo p e il livello Fermi si sposta verso il basso.
