Conduttori

Sappiamo per esperienza che tutti i metalli trasmettono facilmente sia il calore che l'elettricità, altri materiali come il legno o le ceramiche hanno caratteristiche opposte. Le ragioni di queste differenze di comportamento dei materiali risiede nella differente struttura atomica delle varie sostanze.

Per comprendere le ragioni della elevata conduttività elettrica di un metallo, consideriamo ad esempio il magnesio.
Il magnesio possiede 12 elettroni.
La configurazione elettronica del magnesio è [Ne]3s² cioè ogni atomo di questo elemento ha due elettroni nell'orbitale 3s più esterno.

Infatti rifacendoci allo schema di disposizione degli orbitali e ricordando che
• un orbitale s contiene al massimo 2 elettroni
• un orbitale p contiene al massimo 6 elettroni
• un orbitale d contiene al massimo 10 elettroni
• un orbitale f contiene al massimo 14 elettroni.
Si vede come Mg abbia due elettroni sull'orbitale più esterno 3s (mentre gli orbitali 3p e 3d sono vuoti) .

In un solido cristallino metallico, gli atomi sono impacchettati gli uni vicino agli altri. La conseguenza di ciò è che i livelli energetici di ogni atomo di magnesio sono perturbati dalla presenza degli atomi vicini a causa della sovrapposizione degli orbitali.

Secondo la teoria degli orbitali molecolari, l'interazione tra due orbitali atomici dà origine a due orbitali molecolari, di legame ed antilegame.
Bisogna tener conto che il numero di atomi in un pezzo anche piccolissimo di magnesio è enorme (∼ 10²⁰ atomi) il numero di orbitali molecolari sarà corrispondentemente molto elevato. Questi orbitali molecolari così vicini in energia, possono essere descritti come un continuo di stati, ovvero una banda.

I livelli energetici pieni, danno origine alla banda di valenza.

La metà superiore dei livelli energetici corrisponde a livelli vuoti formati dalla sovrapposizione degli orbitali 3p del magnesio.
Questa serie di livelli vuoti è chiamata banda di conduzione.

Nel disegno si nota la formazione della banda di conduzione del magnesio. Gli elettroni negli orbitali 1s, 2s, 2p sono localizzati sui corrispondenti atomi di Mg. Invece gli orbitali 3s e 3p si sovrappongono per formare orbitali molecolari delocalizzati.

Gli elettroni che si trovano in questi orbitali, possono viaggiare attraverso tutto il solido e questo spiega la conducibilità elettrica del metallo.

Possiamo, dunque, immaginare un cristallo metallico come un insieme di ioni positivi immersi in un insieme di elettroni. Gli elettroni di valenza del metallo possono essere immaginati come delocalizzati su tutto il solido.

Immaginando il metallo come una serie di cariche positive immerse in un insieme di elettroni (cariche negative) si può intuire che il solido avrà una grande forza di coesione, che rende il metallo resistente alle sollecitazioni esterne , ma anche malleabile e duttile.

Allo stesso modo essendo liberi di muoversi sull'intero solido, gli elettroni delocalizzati potranno contribuire alla conduzione elettrica, un'altra caratteristica tipica dei metalli.

Il motivo per cui, a differenza dei metalli, sostanze come il vetro ed il legno non conducono corrente elettrica è disegnato nello schema seguente:

Si osserva la consistenza del gap di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione in un metallo, in un semiconduttore ed in un isolante.

In un metallo, il gap di energia è praticamente inesistente, in un semiconduttore è piccolo, mentre in un isolante è molto grande, rendendo difficile la promozione di un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione.

La conduttività di un solido dipende dalla separazione energetica tra la banda di valenza e la banda di conduzione e dal loro grado di occupazione.

Nel magnesio, come in altri metalli, la banda di valenza e la banda di conduzione sono adiacenti.

Al contrario, in solidi isolanti come il vetro o il legno, la separazione tra banda di valenza e banda di conduzione è molto grande, ed è perciò necessario un considerevole quantitativo di energia per eccitare gli elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione.

In assenza di questa energia gli elettroni rimangono localizzati e non contribuiscono al trasporto di carica.
Pertanto vetro e legno sono isolanti, cioè non sono in grado di condurre corrente elettrica.

Semiconduttori

I semiconduttori sono sostanze che allo zero assoluto si comportano come isolanti, ma a temperature ordinarie o elevate, sono in grado di condurre corrente. Gli elementi del gruppo 14: silicio e germanio sono esempi tipici.
I semiconduttori hanno assunto, nel corso del tempo, un'importanza tecnologica fondamentale ed il loro uso nei transistor o nelle celle solari ha rivoluzionato l'industria elettronica degli anni recenti.

La differenza di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione in questi solidi è molto minore di quella tipica degli isolanti.

Se l'energia necessaria per eccitare gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione viene fornita dall'esterno, ad esempio sotto forma di energia termica, il solido si comporta come un conduttore.
Il comportamento di un semiconduttore è spesso considerato opposto a quello di un metallo.
La capacità di un metallo di condurre corrente diminuisce all'aumentare della temperatura, poiché le vibrazioni degli atomi che costituiscono il reticolo cristallino, stimolate dall'alta temperatura, disturbano il flusso di elettroni in transito lungo la banda di conduzione.

Come detto, i materiali usati per costruire i semiconduttori sono il silicio (usato prevalentemente) ed il germanio (usato raramente).
Entrambi questi elementi sono tetravalenti, cioè presentano quattro elettroni di valenza e una struttura cristallina in cui ciascun atomo mette in comune un elettrone di valenza con un altro atomo attraverso un legame covalente.

Per esemplificare meglio, usiamo schematizzare un atomo di silicio mettendo in evidenza solo i quattro elettroni (e i quattro protoni associati) di valenza sugli orbitali esterni.

I livelli di energia di tutti gli elettroni sono compresi nella banda di valenza e la conduttività del materiale è nulla : a temperature molto basse i semiconduttori si comportano come isolanti.

Fornendo però energia termica o qualche altro tipo di energia è possibile spezzare qualche legame covalente; in questo caso si avranno elettroni liberi, con livelli di energia compresi nella banda di conduzione , e una certa conduttività.

Qui si nota la presenza la presenza di un elettrone libero e di un legame covalente incompleto .
L'importanza della lacuna, consiste nel fatto che l' esistenza di un legame incompleto rende probabile il trasferimento di un elettrone di un altro atomo alla lacuna stessa.

Questo processo può ripetersi a catena perchè l'elettrone che si muove, lascia a sua volta una lacuna.

Il flusso degli elettroni procede dunque in senso opposto a quello delle lacune.

In un semiconduttore puro, il numero delle lacune è pari al numero di elettroni liberi ed aumenta al crescere della temperatura.
A temperatura ambiente, si ha una debole conduttività dovuta a lacune e a elettroni liberi generati per effetto termico.
Questa è nota come conduttività intrinseca.

Semiconduttori drogati

La capacità di un semiconduttore di condurre corrente elettrica può essere aumentata, aggiungendo al solido piccole quantità di specifiche impurezze, un procedimento che prende il nome di drogaggio (doping) del semiconduttore.
In questo modo si aumenta sensibilmente la conduttività (si parla in questo caso di conduttività estrinseca) questo per ottenere correnti apprezzabili anche con l'applicazione di campi elettrici molto deboli.

Il processo consiste nell'inserire nella struttura cristallina di Si o Ge (tetravalenti) atomi di materiali trivalenti o pentavalenti, per creare una sovrabbondanza di elettroni o lacune.
Le sostanze pentavalenti sono: fosforo, arsenico e antimonio; esse vengono aggiunte nella proporzione 1 su 10⁷.

Le sostanze pentavalenti vengono anche chiamate donatori, in quanto, disponendo ciascuna di cinque elettroni di valenza , presentano un elettrone libero da legami covalenti e quindi disponibile a muoversi nel cristallo. Si ha in questo caso un semiconduttore di tipo n (negativo).
In esso la conduttività è prevalentementte dovuta alla presenza di elettroni liberi.

Nel materiale di tipo n, gli elettroni sono pertanto, portatori di carica maggioritari, mentre le lacune, presenti in minor numero, sono i portatori minoritari.

Nel materiale semiconduttore potrebbero essere inseriti atomi trivalenti come boro, alluminio, gallio e indio chiamati anche atomi accettori (perchè l'esistenza di un legame incompleto comporta la disponibilità ad accogliere un elettrone esterno all'atomo). Questi materiali diventano semiconduttori di tipo p (positivo).

Supponiamo che un atomo di Si venga sostituito con un atomo di boro. Il boro ha tre elettroni di valenza, uno in meno del silicio. Pertanto, per ogni boro che sostituisce un atomo di Si nel cristallo ci sarà una lacuna positiva in un orbitale di legame.

Tuttavia è possibile che un elettrone di valenza di un atomo di Si vicino, vada a colmare la lacuna. Quest'ultima, sarà ora localizzata su quest'ultimo atomo di silicio e potrà essere colmata da un elettrone di un atomo di Si vicino.

In questo modo gli elettroni potranno muoversi all'interno del cristallo in una direzione e le lacune in direzione opposta. Il solido in questo modo, è in grado di condurre corrente elettrica. Nei semiconduttori di tipo p, la conduttività è principalmente dovuta alla presenza di lacune.

Nel materiale di tipo p, le lacune sono portatori di carica maggioritari e gli elettroni sono portatori di carica minoritari.

Nei semiconduttori di tipo p e di tipo n, la differenza di energia tra banda di valenza e banda di conduzione è di fatto ridotta, così che l'energia termica associata alla temperatura ambiente è già in grado di eccitare gli elettroni, rendendoli in grado di condurre corrente elettrica.
La conducibilità di un semiconduttore aumenta di sei ordini di grandezza per la presenza di impurezze.

Mettendo a contatto tra loro un semiconduttore di tipo p con uno di tipo n si viene a creare una giunzione pn che, di fatto, ha determinato lo sviluppo dell'industria elettronica degli ultimi settant'anni.

I semiconduttori sono oggi componenti fondamentali delle apparecchiature elettroniche, dalle televisioni ai computer fino ai telefoni cellulari. Prima dell'avvento dei semiconduttori le apparecchiature elettroniche erano essenzialmente basate su valvole termoioniche, fragili ed ingombranti. L'avvento dei transistor e dei microprocessori a base di silicio ha permesso di ridurre le dimensioni dei calcolatori in maniera eccezionale, permettendo di disporre di potenze di calcolo elevatissime in spazi estremamente ridotti.

Giunzione pn

Il semiconduttore drogato è nel suo complesso neutro perchè al suo interno, protoni e neutroni sono in ugual numero. La presenza di lacune nella zona p e di elettroni nella zona n, determina una interazione tra gli atomi in prossimità della giunzione. Alcuni elettroni della zona n si diffondono attraverso la giunzione, ricombinandosi con le lacune della zona p. Allo stesso modo alcune lacune della zona p si diffondono ricombinandosi con gli elettroni della zona n.

Questo, crea una regione che a causa delle ricombinazioni elettrone-lacuna, è priva di portatori liberi . Inoltre nelle vicinanze della giunzione, gli atomi che hanno acquisito per ricombinazione un elettrone diventano ioni negativi (-) mentre quelli che hanno acquisito una lacuna (cioè hanno perso un elettrone) diventano ioni positivi (+).

Si crea, dunque, una zona di portatori liberi detta zona di svuotamento o di deplezione che presenta una certa carica negativa dal lato p e una certa carica positiva dal lato n (ioni) .
Si può osservare che tale regione, che ha uno spessore dell'ordine di 0,5 μm; si presenta come una porzione di dielettrico e determina un effetto capacitivo ai capi della giunzione.

La carica che a causa della diffusione si accumula in prossimità della giunzione genera un campo elettrico; questo si oppone ad un ulteriore diffusione di portatori maggioritari (elettroni verso sinistra e lacune verso destra ) e favorisce invece un flusso di portatori minoritari in verso opposto. In figura sottostante è illustrata la barriera di potenziale che si viene a creare la cui altezza V_o vale pochi decimi di volt in definitiva si creano :
• la corrente di diffusione costituita da portatori maggioritari
• la corrente di deriva (drift) costituita da portatori minoritari che si formano per effetti termici.

Si raggiunge l'equilibrio quando la corrente di diffusione eguaglia quella di deriva.

Polarizzazione della giunzione pn

Applicando una batteria ai capi di una giunzione pn, cioè di un semiconduttore drogato pn, il moto dei portatori ed il flusso delle correnti viene determinato dalla polarità e dal valore della tensione applicata.

Polarizzazione inversa

Il morsetto positivo della batteria è collegato alla zona n, gli elettroni liberi sono attratti verso il morsetto positivo e le lacune verso quello negativo, allontanandosi dalla giunzione. In questo modo, la zona di svuotamento si allarga e la barriera di potenziale aumenta.

La giunzione, in queste condizioni è polarizzata inversamente ; la corrente che transita, è debolissima e viene chiamata corrente inversa di saturazione (I_o) : essa è dovuta esclusivamente ad i portatori minoritari e scorre dalla zona n alla zona p.

Polarizzazione diretta

In questo caso il morsetto positivo è collegato alla zona p. Gli elettroni della zona p (cariche minoritarie in quella zona) vengono attratte verso il morsetto positivo creando nuove lacune. La zona di svuotamento si restringe e la barriera di potenziale diminuisce .

La giunzione è, in questo caso, polarizzata direttamente e la corrente diretta (o corrente di drift I_d), dovuta principalmente ad i portatori maggioritari, scorre dalla zona p alla zona n.