Che cos'è il semiconduttore intrinseco e il semiconduttore estrinseco: banda energetica e doping?

Il semiconduttore, come suggerisce il nome, è un tipo di materiale le cui proprietà mostrano sia i conduttori che gli isolanti. Un materiale semiconduttore richiede un certo livello di tensione o calore per rilasciare i suoi vettori per la conduzione. Questi semiconduttori sono classificati come "intrinseci" ed "estrinseci" in base al numero di portatori. Il portatore intrinseco è la forma più pura di semiconduttore e un numero uguale di elettroni (portatori di carica negativa) e lacune (portatori di carica positiva). I materiali semiconduttori maggiormente utilizzati sono il silicio (Si), il germanio (Ge) e l'arsenuro di gallio (GaAs). Studiamo le caratteristiche e il comportamento di questi tipi di semiconduttori. Che cos'è un semiconduttore intrinseco? Il semiconduttore intrinseco può essere definito come materiale chimicamente puro senza aggiunta di drogaggio o impurità. I semiconduttori intrinseci o puri più comunemente conosciuti disponibili sono il silicio (Si) e il germanio (Ge). Il comportamento del semiconduttore all'applicazione di una certa tensione dipende dalla sua struttura atomica. Il guscio più esterno sia del silicio che del germanio ha quattro elettroni ciascuno. Per stabilizzarsi a vicenda gli atomi vicini formano legami covalenti basati sulla condivisione degli elettroni di valenza. Questo legame nella struttura del reticolo cristallino del silicio è illustrato nella figura 1. Qui si può vedere che gli elettroni di valenza di due atomi di Si si accoppiano insieme per formare un legame covalente. Figura 1. Legame covalente dell'atomo di silicioTutti i legami covalenti sono stabili e non sono disponibili portatori per la conduzione. Qui il semiconduttore intrinseco si comporta come isolante o non conduttore. Ora, se la temperatura ambiente si avvicina alla temperatura ambiente, i legami covalenti iniziano a rompersi. Così gli elettroni del guscio di valenza vengono rilasciati per prendere parte alla conduzione. Man mano che un numero maggiore di portanti viene rilasciato per la conduzione, il semiconduttore inizia a comportarsi come un materiale conduttore. Il diagramma delle bande di energia riportato di seguito spiega questa transizione dei portatori dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Il diagramma delle bande di energia Il diagramma delle bande di energia mostrato nella figura 2 (a) mostra due livelli, banda di conduzione e banda di valenza. Lo spazio tra le due bande è chiamato gap proibito Figura 2 (a). Diagramma delle bande di energia Figura Figura 2(b). Elettroni della banda di conduzione e di valenza in un semiconduttore Quando un materiale semiconduttore è sottoposto a calore o tensione applicata, alcuni dei legami covalenti si rompono, generando elettroni liberi come mostrato nella figura 2 (b). Questi elettroni liberi si eccitano e guadagnano energia per superare il gap proibito ed entrare nella banda di conduzione dalla banda di valenza. Quando l'elettrone lascia la banda di valenza, lascia un buco nella banda di valenza. In un semiconduttore intrinseco verrà creato sempre un numero uguale di elettroni e lacune e quindi mostra neutralità elettrica. Sia gli elettroni che le lacune sono responsabili della conduzione di corrente nel semiconduttore intrinseco. Che cos'è un semiconduttore estrinseco? Il semiconduttore estrinseco è definito come il materiale con un'impurità aggiunta o un semiconduttore drogato. Il doping è il processo di aggiunta deliberata di impurità per aumentare il numero di portatori. Gli elementi di impurità utilizzati sono definiti come droganti. Poiché il numero di elettroni e lacune è maggiore nel conduttore estrinseco, mostra una conduttività maggiore rispetto ai semiconduttori intrinseci. Sulla base dei droganti utilizzati, i semiconduttori estrinseci sono ulteriormente classificati come "semiconduttore di tipo N" e "semiconduttore di tipo P". Semiconduttori di tipo N: i semiconduttori di tipo N sono drogati con impurità pentavalenti. Gli elementi pentavalenti sono chiamati così perché hanno 5 elettroni nel loro guscio di valenza. Gli esempi di impurità pentavalente sono Fosforo (P), Arsenico (As), Antimonio (Sb). Come illustrato nella figura 3, l'atomo drogante stabilisce legami covalenti condividendo quattro dei suoi elettroni di valenza con quattro atomi di silicio vicini. Il quinto elettrone rimane debolmente legato al nucleo dell'atomo drogante. È necessaria una quantità di energia di ionizzazione molto inferiore per liberare il quinto elettrone in modo che lasci la banda di valenza ed entri nella banda di conduzione. L'impurezza pentavalente conferisce un elettrone in più alla struttura reticolare e quindi è chiamata impurità del donatore.Figura 3. Semiconduttore di tipo N con impurità donatore Semiconduttori di tipo P: i semiconduttori di tipo P sono drogati con il semiconduttore trivalente. Le impurità trivalenti hanno 3 elettroni nel loro guscio di valenza. Gli esempi di impurezze trivalenti includono boro (B), gallio (G), indio (In), alluminio (Al). Come illustrato nella figura 4, l'atomo drogante stabilisce legami covalenti con solo tre atomi di silicio vicini e viene generato un buco o spazio vuoto nel legame con il quarto atomo di silicio. Il foro funge da vettore positivo o spazio da occupare per l'elettrone. Quindi l'impurezza trivalente ha impartito un posto vacante o un buco positivo che può accettare prontamente gli elettroni e quindi è chiamata un'impurità accettore.  Figura 4. Semiconduttore di tipo P con impurezza accettore Concentrazione portante nel semiconduttore intrinseco La concentrazione portante intrinseca è definita come il numero di elettroni per unità di volume nella banda di conduzione o il numero di lacune per unità di volume nella banda di valenza. A causa della tensione applicata, l'elettrone lascia la banda di valenza e crea un buco positivo al suo posto. Questo elettrone entra ulteriormente nella banda di conduzione e partecipa alla conduzione della corrente. In un semiconduttore intrinseco, gli elettroni generati nella banda di conduzione sono uguali al numero di lacune nella banda di valenza. Pertanto la concentrazione di elettroni (n) è uguale alla concentrazione di lacune (p) in un semiconduttore intrinseco. La concentrazione di trasportatore intrinseca può essere data come: n_i=n=p Dove,n_i : concentrazione di trasportatore intrinseca n : concentrazione di trasportatore di elettroni p : lacuna -concentrazione portante Conduttività del semiconduttore intrinseco Quando il semiconduttore intrinseco è soggetto a calore o tensione applicata, gli elettroni viaggiano dalla banda di valenza alla banda di conduzione e lasciano un buco positivo o una vacanza nella banda di valenza. Anche in questo caso questi buchi vengono riempiti da altri elettroni quando vengono rotti più legami covalenti. Quindi gli elettroni e le lacune viaggiano nella direzione opposta e il semiconduttore intrinseco inizia a condurre. La conduttività aumenta quando un numero di legami covalenti viene rotto, quindi più elettroni sono lacune vengono rilasciati per la conduzione. La conduttività di un semiconduttore intrinseco è espressa in termini di mobilità e concentrazione dei portatori di carica. L'espressione per la conduttività di un semiconduttore intrinseco è espressa come:σ_i=n_i e(μ_e+μ_h) Dove σ_i: conducibilità di un intrinseco semiconduttore n_i: concentrazione portante intrinseca μ_e: mobilità degli elettroni μ_h: mobilità dei fori Fare riferimento a questo link per saperne di più sulla teoria dei semiconduttori MCQ

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