Corrente elettrica nei semiconduttori
Tra i conduttori e i dielettrici, in termini di resistenza, si trovano semiconduttori…Silicio, germanio, tellurio, ecc. — molti elementi della tavola periodica e i loro composti appartengono ai semiconduttori. Molte sostanze inorganiche sono semiconduttori. Il silicio è più largo di altri in natura; la crosta terrestre ne è costituita per il 30%.
La principale differenza evidente tra semiconduttori e metalli risiede nel coefficiente di temperatura negativo della resistenza: maggiore è la temperatura del semiconduttore, minore è la sua resistenza elettrica. Per i metalli è il contrario: maggiore è la temperatura, maggiore è la resistenza. Se un semiconduttore viene raffreddato fino allo zero assoluto, diventa dielettrico.
Questa dipendenza della conduttività dei semiconduttori dalla temperatura mostra che la concentrazione tassisti gratuiti nei semiconduttori non è costante e aumenta con la temperatura.Il meccanismo di passaggio di una corrente elettrica attraverso un semiconduttore non può essere ridotto al modello di un gas di elettroni liberi, come nei metalli. Per capire questo meccanismo, possiamo osservarlo ad esempio su un cristallo di germanio.
Nello stato normale, gli atomi di germanio contengono quattro elettroni di valenza nel loro guscio esterno, quattro elettroni che sono debolmente legati al nucleo. Inoltre, ogni atomo nel reticolo cristallino di germanio è circondato da quattro atomi vicini. E il legame qui è covalente, il che significa che è formato da coppie di elettroni di valenza.
Si scopre che ciascuno degli elettroni di valenza appartiene a due atomi contemporaneamente e che i legami degli elettroni di valenza all'interno del germanio con i suoi atomi sono più forti che nei metalli. Ecco perché, a temperatura ambiente, i semiconduttori conducono corrente di diversi ordini di grandezza peggiori dei metalli. E allo zero assoluto, tutti gli elettroni di valenza del germanio saranno occupati in legami e non ci saranno elettroni liberi per fornire la corrente.
All'aumentare della temperatura, alcuni degli elettroni di valenza guadagnano energia che diventa sufficiente per rompere i legami covalenti. Ecco come nascono gli elettroni a conduzione libera. Un tipo di posto vacante si forma nelle zone di disconnessione— buchi senza elettroni.
Questo buco può essere facilmente occupato da un elettrone di valenza di una coppia vicina, quindi il buco si sposterà in posizione nell'atomo vicino. Ad una certa temperatura, nel cristallo si formano un certo numero di cosiddette coppie elettrone-lacuna.
Allo stesso tempo, ha luogo il processo di ricombinazione elettrone-lacuna: una lacuna che incontra un elettrone libero ripristina il legame covalente tra gli atomi in un cristallo di germanio. Tali coppie, costituite da un elettrone e una lacuna, possono formarsi in un semiconduttore non solo a causa dell'azione della temperatura, ma anche quando il semiconduttore è illuminato, cioè a causa dell'energia incidente su di esso radiazioni elettromagnetiche.
Se al semiconduttore non viene applicato alcun campo elettrico esterno, gli elettroni liberi e le lacune si impegnano in un movimento termico caotico. Ma quando un semiconduttore viene posto in un campo elettrico esterno, gli elettroni e le lacune iniziano a muoversi in modo ordinato. È così che nasce corrente a semiconduttore.
Consiste in corrente di elettroni e corrente di lacuna. In un semiconduttore, la concentrazione delle lacune e degli elettroni di conduzione è uguale e solo nei semiconduttori puri è così meccanismo di conduzione delle lacune elettroniche… Questa è la conduttività elettrica intrinseca del semiconduttore.
Conduzione di impurità (elettrone e lacuna)
Se ci sono impurità nel semiconduttore, la sua conducibilità elettrica cambia in modo significativo rispetto al semiconduttore puro. L'aggiunta di un'impurità sotto forma di fosforo a un cristallo di silicio, in una quantità dello 0,001 percento atomico, aumenterà la conduttività di oltre 100.000 volte! Un effetto così significativo delle impurità sulla conducibilità è comprensibile.
La condizione principale per la crescita della conduttività delle impurità è la differenza tra la valenza dell'impurità e la valenza dell'elemento genitore. Tale conduzione di impurità è chiamata conduzione di impurità e può essere un elettrone e una lacuna.
Un cristallo di germanio inizia ad avere conducibilità elettronica se vi vengono introdotti atomi pentavalenti, ad esempio arsenico, mentre la valenza degli atomi di germanio stesso è quattro. Quando l'atomo di arsenico pentavalente si trova al posto del reticolo cristallino di germanio, i quattro elettroni esterni dell'atomo di arsenico sono coinvolti in legami covalenti con quattro atomi di germanio vicini. Il quinto elettrone dell'atomo di arsenico diventa libero, lascia facilmente il suo atomo.
E l'atomo lasciato dall'elettrone si trasforma in uno ione positivo al posto del reticolo cristallino del semiconduttore. Questa è la cosiddetta impurità donatrice quando la valenza dell'impurità è maggiore della valenza degli atomi principali. Qui compaiono molti elettroni liberi, motivo per cui, con l'introduzione di un'impurità, la resistenza elettrica del semiconduttore diminuisce migliaia e milioni di volte. Un semiconduttore con una grande quantità di impurità aggiunte si avvicina ai metalli in conduttività.
Sebbene gli elettroni e le lacune siano responsabili della conducibilità intrinseca in un cristallo di germanio drogato con arsenico, gli elettroni che hanno lasciato gli atomi di arsenico sono i principali portatori di carica libera. In una situazione del genere, la concentrazione di elettroni liberi supera notevolmente la concentrazione di lacune e questo tipo di conduttività è chiamato conduttività elettronica del semiconduttore e il semiconduttore stesso è chiamato semiconduttore di tipo n.
Se, invece dell'arsenico pentavalente, viene aggiunto indio trivalente al cristallo di germanio, formerà legami covalenti con solo tre atomi di germanio. Il quarto atomo di germanio rimarrà non legato all'atomo di indio. Ma un elettrone covalente può essere catturato dai vicini atomi di germanio.L'indio sarà quindi uno ione negativo e l'atomo di germanio vicino occuperà un posto vacante dove esisteva il legame covalente.
Tale impurità, quando un atomo di impurità cattura elettroni, è chiamata impurità accettore. Quando viene introdotta un'impurità accettore, molti legami covalenti vengono rotti nel cristallo e si formano molti buchi in cui gli elettroni possono saltare dai legami covalenti. In assenza di corrente elettrica, i fori si muovono casualmente sul cristallo.
Un accettore porta ad un forte aumento della conduttività del semiconduttore dovuto alla creazione di un'abbondanza di lacune e la concentrazione di queste lacune supera significativamente la concentrazione di elettroni della conduttività elettrica intrinseca del semiconduttore. Questa è conduzione di fori e il semiconduttore è chiamato semiconduttore di tipo p. I principali portatori di carica in esso contenuti sono i fori.