Conduttività dei semiconduttori

Le sostanze in grado di condurre o non condurre una corrente elettrica non sono limitate a una rigida divisione dei soli conduttori e dielettrici. Ci sono anche semiconduttori, come silicio, selenio, germanio e altri minerali e leghe degni di essere separati come gruppo separato.

Queste sostanze conducono la corrente elettrica meglio dei dielettrici, ma peggio dei metalli, e la loro conduttività aumenta con l'aumentare della temperatura o dell'illuminazione. Questa caratteristica dei semiconduttori li rende applicabili nei sensori di luce e temperatura, ma la loro applicazione principale è ancora l'elettronica.

Se guardi, ad esempio, un cristallo di silicio, puoi scoprire che il silicio ha una valenza di 4, cioè, sul guscio esterno del suo atomo ci sono 4 elettroni che sono legati a quattro atomi di silicio vicini nel cristallo. Se un tale cristallo è influenzato dal calore o dalla luce, gli elettroni di valenza riceveranno un aumento di energia e lasceranno i loro atomi, diventando elettroni liberi - un gas di elettroni apparirà nel volume aperto del semiconduttore - come nei metalli, cioè, si verificherà una condizione di mantenimento.

Ma a differenza dei metalli, i semiconduttori differiscono nella loro conduttività di elettroni e lacune. Perché sta succedendo questo e che cos'è? Quando gli elettroni di valenza lasciano i loro siti, si formano regioni di mancanza di carica negativa - "buchi" - in quei siti precedenti, che ora hanno un eccesso di carica positiva.

L'elettrone vicino salterà facilmente nel «buco» risultante e non appena questo buco sarà riempito con l'elettrone che vi è saltato dentro, si formerà di nuovo un buco al posto dell'elettrone saltato.

Cioè, si scopre che un buco è una regione mobile caricata positivamente di un semiconduttore. E quando un semiconduttore è collegato a un circuito con una sorgente EMF, gli elettroni si sposteranno verso il terminale positivo della sorgente e le lacune verso il terminale negativo. È così che avviene la conducibilità interna del semiconduttore.

Il movimento delle lacune e degli elettroni di conduzione in un semiconduttore senza un campo elettrico applicato sarà caotico. Se al cristallo viene applicato un campo elettrico esterno, gli elettroni al suo interno si muoveranno contro il campo e le lacune si sposteranno lungo il campo, cioè nel semiconduttore si verificherà il fenomeno della conduzione interna, che non sarà solo causato da elettroni, ma anche da buchi.

In un semiconduttore, la conduzione avviene sempre solo sotto l'influenza di alcuni fattori esterni: per irradiazione con fotoni, per effetto della temperatura, quando vengono applicati campi elettrici, ecc.

Il livello di Fermi in un semiconduttore cade nel mezzo del band gap. La transizione dell'elettrone dalla banda di valenza superiore alla banda di conduzione inferiore richiede un'energia di attivazione pari al delta bandgap (vedi figura). E non appena un elettrone appare nella banda di conduzione, si crea un buco nella banda di valenza. Pertanto, l'energia spesa viene divisa equamente durante la formazione di una coppia di portatori di corrente.

Metà dell'energia (corrispondente a metà della larghezza di banda) viene spesa per il trasferimento di elettroni e metà per la formazione di lacune; di conseguenza l'origine corrisponde alla metà della larghezza del nastro. L'energia di Fermi in un semiconduttore è l'energia alla quale gli elettroni e le lacune sono eccitati.La posizione in cui si trova il livello di Fermi per un semiconduttore nel mezzo del band gap può essere confermata da calcoli matematici, ma qui omettiamo i calcoli matematici.

Sotto l'influenza di fattori esterni, ad esempio, quando la temperatura aumenta, le vibrazioni termiche del reticolo cristallino di un semiconduttore portano alla distruzione di alcuni legami di valenza, a seguito dei quali alcuni degli elettroni diventano, separati, portatori di carica liberi .

Nei semiconduttori, insieme alla formazione di lacune ed elettroni, avviene il processo di ricombinazione: gli elettroni passano nella banda di valenza dalla banda di conduzione, cedendo la loro energia al reticolo cristallino ed emettendo quanti di radiazione elettromagnetica.Pertanto, ogni temperatura corrisponde alla concentrazione di equilibrio di lacune ed elettroni, che dipende dalla temperatura secondo la seguente espressione:

C'è anche la conduttività delle impurità dei semiconduttori, quando una sostanza leggermente diversa viene introdotta nel cristallo di un semiconduttore puro che ha una valenza superiore o inferiore rispetto alla sostanza madre.

Se in puro, diciamo, lo stesso silicio, il numero di lacune ed elettroni liberi è uguale, cioè si formano sempre in coppia, quindi nel caso di un'impurità aggiunta al silicio, ad esempio l'arsenico, avente un valenza di 5, il numero di lacune sarà inferiore al numero di elettroni liberi, cioè un semiconduttore è formato con un gran numero di elettroni liberi, caricati negativamente, sarà un semiconduttore di tipo n (negativo). E se mescoli l'indio, che ha una valenza di 3, che è inferiore a quella del silicio, allora ci saranno più buchi: sarà un semiconduttore di tipo p (positivo).

Ora, se mettiamo in contatto semiconduttori di diversa conduttività, nel punto di contatto otteniamo una giunzione p-n. Gli elettroni che si muovono dalla regione n e le lacune che si muovono dalla regione p inizieranno a muoversi l'uno verso l'altro, e sui lati opposti del contatto ci saranno regioni con cariche opposte (sui lati opposti della giunzione pn): un positivo la carica si accumulerà nella regione n e una carica negativa nella regione p. Le diverse parti del cristallo rispetto alla transizione saranno caricate in modo opposto. Questa posizione è molto importante per il lavoro di tutti. dispositivi a semiconduttore.

L'esempio più semplice di tale dispositivo è un diodo a semiconduttore, in cui viene utilizzata solo una giunzione pn, che è sufficiente per raggiungere il compito: condurre la corrente in una sola direzione.

Gli elettroni della regione n si muovono verso il polo positivo della fonte di energia e le lacune della regione p si muovono verso il polo negativo. Vicino alla giunzione si accumuleranno sufficienti cariche positive e negative, la resistenza della giunzione diminuirà significativamente e la corrente fluirà attraverso il circuito.

Nella connessione inversa del diodo, la corrente uscirà decine di migliaia di volte in meno, poiché gli elettroni e le lacune saranno semplicemente soffiati da un campo elettrico in direzioni diverse dalla giunzione. Questo principio funziona raddrizzatore a diodi.