Lo stato solido 1. Semiconduttori

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. 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 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.

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)

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)

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.

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

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