chimica-online.it

Semiconduttori

Generalità e proprietà dei semiconduttori

In un cristallo metallico gli elettroni di valenza degli atomi che lo costituiscono sono distribuiti su orbitali estesi a tutto il cristallo, su ciascuno dei quali possono esistere (per il principio di Pauli) soltanto 2 elettroni.

Questi orbitali costituiscono i livelli energetici su cui si trovano gli elettroni che danno luogo al legame metallico.

Il numero degli orbitali metallici è straordinariamente grande (è pari al numero di atomi che costituiscono il cristallo) e la differenza di energia fra due orbitali successivi è straordinariamente piccola.

Consideriamo ora, semplificandolo al massimo, lo schema di formazione di un cristallo metallico da atomi isolati, ad esempio di litio.

Un atomo isolato di litio nel suo stato fondamentale ha un elettrone di valenza sullo strato 2s, di energia E (si veda figura seguente).

Due atomi di litio, legandosi, hanno a disposizione due orbitali, e poiché gli elettroni vanno ad occupare le posizioni di minima energia, essi occupano l'orbitale di minima energia lasciando non occupato l'altro orbitale possibile.

Tre atomi di litio legandosi hanno a disposizione 3 orbitali, ed i tre elettroni di valenza occupano totalmente l'orbitale di più bassa energia disponibile, parzialmente l'orbitale successivo e lasciano libero il terzo.

N atomi di litio avranno a disposizione N orbitali, con valori di energia vicinissimi, ed i loro N elettroni di valenza occuperanno gli orbitali di più bassa energia, lasciando liberi gli altri.

Si ha così nel caso del litio (allo zero assoluto), una banda di energie occupata per metà, detta banda di valenza.

cristallo metallico di litio

Se in una specie atomica lo stato s è completo ed esistono anche elettroni p (ad esempio Al: 3s2 3p), con ragionamento analogo a quello fatto nel caso del Li, si ha una banda di energia totalmente occupata costituita dagli elettroni s ed una banda successiva costituita dall'insieme degli elettroni p, che sarà occupata totalmente o parzialmente a seconda del numero di questi.

Le successive bande, in un generico metallo, possono sovrapporsi, essere adiacenti o essere separate da una differenza di energia AE. Inoltre, gli elettroni di valenza degli atomi che costituiscono il cristallo possono occupare totalmente o parzialmente i livelli a disposizione, e ciò è determinante agli effetti della conduttività elettrica.

posizione reciproca di due bande di energia

Se mediante una pila elettrica si stabilisce una differenza di potenziale fra due punti di un metallo, cioè si crea fra essi un campo elettrico, gli elettroni subiscono una istantanea accelerazione (cui corrisponde un aumento del loro contenuto di energia) e iniziano a muoversi nella direzione del campo (passaggio di corrente ).

È chiaro che ciò può avvenire soltanto se gli elettroni sono in grado di poter assorbire detti aumenti di energia, cioè se esistono livelli energetici vuoti (banda di conducibilità) corrispondenti ai loro nuovi, maggiori contenuti di energia.

Ciò si verifica se gli elettroni occupano solo parzialmente la banda di valenza (caso del Li, in cui gli elettroni occupano N/2 orbitali degli N disponibili).

Se la banda di valenza è totalmente occupata, si possono invece avere 3 casi: il cristallo può essere conduttore, non conduttore (isolante), semiconduttore.

  • Se la banda totalmente occupata è sovrapposta o è adiacente con la successiva banda vuota, gli elettroni possono passare da un livello all'altro con piccolissima spesa di energia, ed il cristallo è conduttore.
  • Se la banda totalmente occupata è separata dalla banda successiva vuota da una zona proibita corrispondente ad un salto di energia AIE possono aversi due casi:

    a) se il valore di ΔE è elevato (alcuni eV) il cristallo è non conduttore (isolante), e non è quindi un metallo (ad esempio il diamante: 7 eV);

    b) se il valore di ΔE non supera 1,5 eV, allora è possibile, con una ragionevole spesa di energia, far passare elettroni dalla banda piena alla banda vuota, ed il cristallo è un semiconduttore (ad esempio germanio 0,72 eV, silicio 1,1 eV).

Quanto ora detto spiega perché nei semiconduttori ad un aumento di temperatura, cioè dell'energia media degli elettroni, corrisponde un aumento di conduttività elettrica, e perché per essi non sia valida la legge di Ohm.

Semiconduttori impuri o estrinseci

Il meccanismo di semiconduzione ora descritto si riferisce a semiconduttori puri (o intrinseci).

Aggiungendo ad un semiconduttore puro piccole quantità di atomi diversi da quelli che lo costituiscono, e che possiedano particolari caratteristiche elettroniche (rendendo così difettivo il reticolo cristallino), si hanno semiconduttori impuri o estrinseci, con proprietà particolari dovute ai nuovo livelli energetici introdotti dagli atomi aggiunti.

Studia con noi