SEMICONDUTTORI

 

INTRODUZIONE

La struttura cristallina dei buoni conduttori metallici, come il rame, l'alluminio e l'argento, è tale che gli elettroni esterni sono comuni a tutti gli atomi, e si possono muovere liberamente attraverso tutto il materiale. Questo avviene per un'ampia gamma di temperature. La conduzione elettrica nasce, allora, in conseguenza del movimento di detti elettroni liberi, sottoposti all'azione del campo elettrico che viene applicato. Contrariamente ai buoni conduttori, la struttura degli isolanti solidi è tale che, per un'ampia gamma di temperature, quasi tutti gli elettroni rimangono legati agli atomi del materiale e, pertanto, non ci saranno molte cariche che si muovono attraverso l'isolante, quando gli viene applicato un moderato campo elettrico, il che significa che non ci potrà essere una conduzione elettrica apprezzabile. Si può affermare che, alla temperatura ambiente, i semiconduttori sono, contemporaneamente, cattivi conduttori e cattivi isolanti. A temperature molto basse si comportano come isolanti e, a temperature elevate, si trasformano in conduttori abbastanza buoni.

I semiconduttori

In un conduttore, la corrente è dovuta al movimento delle cariche negative (elettroni), mentre in un semiconduttore si deve al movimento sia degli elettroni, che delle cariche positive (lacune). Inoltre, in un semiconduttore si possono inserire atomi di altri elementi, detti impurezze, in modo che la corrente si debba principalmente agli elettroni o alle lacune, in funzione dell'impurezza introdotta.
Un'altra caratteristica che li differenzia si riferisce alla loro resistività, essendo questa intermedia tra quella dei metalli e degli isolanti. Il germanio (Ge) e il silicio (Si) costituiscono i due semiconduttori più importanti impiegati nei dispositivi elettronici. La disposizione schematica degli atomi per un semiconduttore di silicio si può osservare in figura 1.

struttura atomica di un semiconduttore di silicio puro

Fig. 1 - struttura atomica di un semiconduttore di silicio puro

Le zone cerchiate rappresentano la carica positiva netta dei nuclei, e i punti neri sono gli elettroni negativi uniti agli stessi. La forza che mantiene gli atomi legati tra loro è il risultato del fatto che gli elettroni di conduzione di ciascuno di essi sono condivisi con i quattro atomi vicini.
A basse temperature la struttura normale è quella mostrata in figura 1, in cui non si osserva alcuna lacuna né elettrone libero e, pertanto, il semiconduttore si comporta come un isolante. Invece, a temperatura ambiente (20-25°C) qualcuno dei legami forti tra gli atomi si rompe, a causa del riscaldamento del semiconduttore, e, come conseguenza, alcuni elettroni diventano liberi. Nella figura 2 è rappresentata questa situazione.

presenza di elettroni e lacune a temperatura ambiente

Fig.2 - presenza di elettroni e lacune a temperatura ambiente

L’assenza dell'elettrone che apparteneva alla giunzione di due atomi di silicio si rappresenta con un cerchio. Il modo in cui le lacune contribuiscono al flusso della corrente è il seguente: quando un elettrone può vincere la forza che lo mantiene legato al nucleo e abbandona la sua posizione, compare una lacuna; risulta relativamente facile all'elettrone dell'atomo vicino lasciare il suo posto per riempirlo. L’ elettrone che lascia la sua sede per riempire una lacuna provoca, a sua volta, un'altra lacuna nella posizione iniziale. In questo modo la vacanza contribuisce alla formazione della corrente come l'elettrone, con una traiettoria opposta a quella di quest'ultimo. Si dice semiconduttore puro quello in cui gli atomi costituenti sono tutti dello stesso tipo (ad esempio di germanio), vale a dire senza alcuna impurezza.