Dispense del corso di Elementi di Fisica della Materia - Skuola.net

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112 CAPITOLO 6. STRUTTURA DELLA MATERIA rame si ha σ 10 7 Ω −1 m −1 ). In particolare, dato che la conducibilità è proporzionale alla concentrazione dei portatori di carica, essa aumenta con la temperatura, al contrario dei metalli. Semiconduttori estrinseci I semiconduttori intrinseci presentano una conducibilità troppo bassa ed inoltre essa dipende criticamente dalla temperatura. Per tali scopi essi non sono adatti per l’industria elettronica. Per migliorare le loro prestazioni si immettono in modo controlato impurità, allo scopo di aumentare la concentrazione di elettroni o lacune. Tale operazione viene definita drogaggio (inglese doping), e il semiconduttore diventa estrinseco. Esistono due tipi di drogaggio, a seconda che venga aumentata la concentrazione di elettroni o lacune. Nel primo caso saremo in presenza di drogaggio di tipo n (negativo), nel secondo caso di tipo p (positivo). Nel drogaggio di tipo n, si introducono, al momento della produzione, nel cristallo del semiconduttore, atomi di un elemento del V gruppo della tavola periodica. Siccome essi sono pentavalenti (fosforo, arsenico, antimonio), ossia hanno cinque elettroni disponibili per formare legami, di fronte ai quattro dei semiconduttori, tetravalenti, un elettrone per ogni atomo pentavalente rimane non legato. Tale elettrone si posiziona su un livello di energia isolato appena poco sotto il fondo della banda di conduzione e per effetto dell’eccitazione termica passerà immediatamente alla banda di conduzione. Di conseguenza la concentrazione di elettroni derivanti dagli atomi pentavalenti supera di gran lunga quella degli elettroni intrinseci eccitati termicamente, e si avrà una corrente dovuta in modo preponderante ad essi. Quindi potremo scrivere J = endµe E σ = endµe, laddove nd è la concentrazione di donori, ossia di atomi pentavalenti che donano, uno ciascuno, elettroni alla banda di conduzione. Nel drogaggio di tipo p, si introducono, al momento della produzione, nel cristallo del semiconduttore, atomi di un elemento del III gruppo della tavola periodica. Siccome essi sono trivalenti (boro, indio, gallio), ossia hanno tre elettroni disponibili per formare legami, di fronte ai quattro dei semiconduttori, tetravalenti, per ogni atomo trivalente rimane un orbitale vuoto, ossia una lacuna. Tale lacuna si posiziona su un livello di energia isolato appena poco sopra la sommità della banda di valenza e per effetto dell’eccitazione termica un elettrone della banda di valenza passerà immediatamente a tale livello (orbitale), liberando così una lacune nella banda di valenza disponibile per la conduzione di corrente. Di conseguenza la concentrazione di lacune derivanti dagli atomi trivalenti supera di gran lunga
6.2. PROPRIETÀ DEGLI ELETTRONI NEI SOLIDI 113 quella delle lacune intrinseche nate dal passaggio degli elettroni eccitati termicamente alla banda di conduzione, e si avrà una corrente dovuta in modo preponderante ad esse. Quindi potremo scrivere J = enaµh E σ = enaµh, laddove na è la concentrazione di accettori, ossia di atomi trivalenti che accettano elettroni nella banda di valenza. E’ facile realizzare drogaggi con una concentrazione nd 10 22 atomi/m 3 , molto maggiori della concentrazione di portatori intrinseci a temperatura ambiente. Di conseguenza la conducibilità viene incrementata di diversi ordini di grandezza e diventa sostanzialmente stabile nei confronti della temperatura (le mobilità dipendono debolmente da essa). Infine, dispositivi in cui il dorgaggio non è omogeneo, ossia in cui si passa da una zona del cristallo in cui si ha drogaggio di tipo p a un’altra che presenta drogaggio di tipo n, presentano caratteristiche corrente-tensione spiccatamente non lineari, ottime per la realizzazione di veri e propri interruttori o amplificatori di segnali (diodi e transistor), alla base della moderna elettronica.
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