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Lo stato solido 1. Semiconduttori. La scissione in bande dei livelli di energia di legame minore fa sì che si generino intervalli energetici permessi.

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1 Lo stato solido 1. Semiconduttori

2 La scissione in bande dei livelli di energia di legame minore fa sì che si generino intervalli energetici permessi agli elettroni del cristallo (bande permesse), e intervalli vietati (bande proibite) detti gap, che separano tra loro le bande permesse. 3.2 I solidi e le bande di energia La maggior parte dei solidi ha una struttura cristallina disposizione regolare di atomi nello spazio Quando gli atomi si uniscono a formare il cristallo, ciascuno degli stati meno legati di ogni atomo singolo dà luogo a un insieme a un insieme di livelli così vicini da costituire una banda di energia praticamente continua.

3 3.2 Isolanti e conduttori Isolanti: tutti i livelli contigui di una banda sono già occupati da altri elettroni, quindi gli elettroni non possono acquistare energia per muoversi Conduttori: una banda non è completamente occupata da altri elettroni, quindi gli elettroni possono acquistare energia divenendo così mobili In un conduttore metallico gli elettroni di conduzione appartengono a una banda non piena; essendo condivisi da tutti gli atomi del reticolo, sono liberi di muoversi attraverso l’intero cristallo (gas di Fermi). La condivisione di questi elettroni dà luogo al legame metallico covalente.

4 3.3 I semiconduttori Semiconduttori (silicio, germanio): Solidi con resistività intermedia tra conduttori e isolanti Resistività diminuisce al crescere della temperatura Allo zero assoluto un semiconduttore è un isolante con un piccolo gap tra la più alta banda completamente piena e la successiva banda completamente vuota. A temperatura ambiente, alcuni elettroni, acquistando energia a causa dell’agitazione termica, possono raggiungere i livelli inferiori della banda più alta, superando il gap. Da una banda piena e una vuota si passa a una banda quasi piena (banda di valenza) e una banda quasi vuota (banda di conduzione)

5 3.3 I semiconduttori drogati Per aumentare la conducibilità di un semiconduttore si introducono impurezze all’interno del cristallo (semiconduttore drogato) Esempio 1: cristallo di silicio drogato con arsenico (donatore) Il silicio ha quattro elettroni negli orbitali atomici più esterni e forma quattro legami covalenti con gli atomi vicini. L’arsenico ha cinque elettroni esterni e se viene sostituito al silicio, rimane un elettrone libero, che aumenta la conducibilità (semiconduttore di tipo-n, negativo)

6 3.3 I portatori positivi di carica Esempio 2: cristallo di silicio drogato con boro (accettore): Il boro ha tre elettroni esterni e se viene sostituito al silicio, rimane, nella banda di valenza, un posto libero (buca o lacuna), che si comporta come un portatore di carica positiva (semiconduttore di tipo-p, positivo) Quando una lacuna viene occupata da un elettrone vicino, quest’ultimo lascia dietro di sé un posto vuoto e l’effetto risultante è che la lacuna si è spostata in senso opposto all’elettrone.

7 3.4 Il diodo a semiconduttore Giunzione tra due semiconduttori, uno di tipo-n l’altro di tipo-p. A causa dell’agitazione termica, alcuni elettroni di conduzione passano dal cristallo n al cristallo p e al cune lacuna de cristallo p al cristallo n, con conseguente ricombinazione di elettroni e lacune Si forma, sui lati della giunzione, un sottile strato privo di portatori mobili (strato di svuotamento) e restano cariche negative fisse nel cristallo di tipo-p e cariche positive fisse nel cristallo di tipo-n: campo elettrico da n a p e differenza di potenziale (di barriera) di 0,6-0,7 V

8 3.4 La polarizzazione del diodo Il diodo agisce da raddrizzatore: consente il passaggio della corrente elettrica in un verso, ma non nel verso opposto. Infatti, se si connette il polo + di un generatore alla regione n e il polo – alla regione p (polarizzazione inversa), si intensifica il campo elettrico attraverso la giunzione e la corrente è bloccata Viceversa, se si connette il polo - di un generatore alla regione n e il polo + alla regione p (polarizzazione diretta), il generatore crea un campo elettrico che si contrappone a quello esistente e la corrente fluisce. Applicazioni: raddrizzatori per convertire la corrente alternata in corrente continua nei dispositivi elettronici alimentati dalla rete


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