DROGAGGIO DI UN SEMICONDUTTORE

I materiali semiconduttori appartengono ad una categoria intermedia fra quella di un materiale conduttore e quella di un isolante; tuttavia, la loro conducibilita' elettrica puo' essere modificata con opportune tecniche di drogaggio, capaci di ridurre la resistivita' del materiale.

La resistivita' di un materiale e' definita dalla relazione:

ρ = 1/σ

in essa compare la conducibilita' σ che e' data dalla relazione:

σ = q · (n · μ_n + p · μ_p)

dove:

q = carica elettrica dell'elettrone e della lacuna;

n = concentrazione degli elettroni liberi;

p = concentrazione delle lacune;

μ_n = mobilita' degli elettroni liberi;

μ_p = mobilita' delle lacune.

Il drogaggio di un semiconduttore si ottiene introducendo nel materiale puro piccole quantita' di atomi di elementi diversi.

Se gli atomi droganti sono trivalenti, ossia se hanno tre elettroni di valenza come il gallio, il boro o l'alluminio, si parla di drogaggio di tipo P. Il drogaggio con atomi trivalenti provoca un aumento delle lacune nel semiconduttore.

Se invece si usano atomi di arsenico o di fosforo, elementi pentavalenti, ossia con cinque elettroni di valenza, si parla di drogaggio di tipo N. Il drogaggio con atomi pentavalenti aumenta la concentrazione di elettroni liberi nel semiconduttore.

DROGAGGIO DI TIPO P

Fig.11a

Nel drogaggio di tipo P alcuni atomi di silicio vengono sostituiti con atomi di alluminio (Al). Ciascun atomo di alluminio, essendo trivalente, forma spontaneamente tre legami covalenti con tre atomi di silicio vicini. Una struttura atomica di questo tipo pero' non e' stabile, poiche' lo strato di valenza di ciascun atomo drogante risulta incompleto. In pratica, a ciascun atomo di alluminio, facente parte della struttura cristallina del semiconduttore, mancano due elettroni per raggiungere l'ottetto (secondo la regola dell'ottetto un atomo e' particolarmente stabile quando ha 8 elettroni nello strato di valenza). Il problema si risolve se si considera che nel materiale semiconduttore sono presenti coppie “elettrone libero-lacuna” generate dalla rottura dei legami covalenti provocata dall'agitazine termica. Cio' garantisce la realizzazione del quarto legame covalente che avviene attraverso la cattura di quegli elettroni liberi che si trovano a transitare vicino agli atomi di alluminio. Questi atomi, avendo catturato un elettrone, non saranno piu' elettricamente neutri, ma diventeranno ioni negativi. Gli ioni negativi di alluminio, contrariamente agli elettroni liberi ed alle lacune, non si muoveranno nella struttura del materiale ma saranno cariche stazionarie. Gli atomi droganti di alluminio sono detti atomi accettori proprio perche' catturano ed accettano elettroni. In definitiva, nel drogaggio di tipo P si ha una diminuzione della concentrazione di elettroni liberi in quando questi vengono catturati dagli atomi accettori; una tale diminuzione produce automaticamente un aumento delle lacune. Le lacune vengono dette portatori maggioritari o di maggioranza, mentre gli elettroni liberi sono detti portatori minoritari o di minoranza. L'eventuale corrente che circolera' nel semiconduttore drogato di tipo P sara' dovuta quasi totalmente ai portatori maggioritari che in esso sono le lacune.

DROGAGGIO DI TIPO N

Fig.11b

Nel drogaggio di tipo N alcuni atomi di silicio vengono sostituiti da atomi di fosforo (P). Ogni atomo di fosforo ha cinque elettroni di valenza; quattro di questi elettroni vengono utilizzati per formare legami covalenti con quattro atomi di silicio vicini, il quinto elettrone di valenza invece restera' inutilizzato. L'elettrone di valenza di ciascun atomo di fosforo, non coinvolto nei legami covalenti della struttura del materiale, contribuisce ad aumentare la concentrazione di elettroni liberi in essa presenti. Ogni atomo di fosforo, perdendo un elettrone, diventa uno ione positivo, ossia una carica stazionaria. Gli atomi droganti di fosforo vengono denominati atomi donatori poiche' donano elettroni liberi al materiale. In definitiva, nel drogaggio di tipo N aumentano gli elettroni liberi, mentre le lacune diminuiscono automaticamente. Gli elettroni liberi vengono detti portatori maggioritari o di maggioranza e le lacune sono denominate invece portatori minoritari o di minoranza. L'eventuale corrente che circolera' nel semiconduttore drogato di tipo N sara' attribuibile quasi totalmente ai portatori maggioritari che in esso sono gli elettroni.

Facendo riferimento al modello a bande di energia di un semiconduttore, la presenza di atomi droganti nella struttura reticolare introduce, all'interno della banda proibita, nuovi livelli energetici. In particolare, le impurezze donatrici introducono livelli energetici vicini alla banda di conduzione, mentre le impurezze accettrici introducono livelli energetici vicini alla banda di valenza.

Se una parte del materiale semiconduttore viene drogata con atomi accettori (semiconduttore drogato di tipo P) e la restante parte viene drogata con atomi donatori (semiconduttore drogato di tipo N), in corrispondenza della superficie di separazione fra le due zone diversamente drogate del materiale semiconduttore si viene a formare una giunzione P-N.

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