SEMICONDUTTORI INORGANICI

Abbiamo già discusso nei precedenti articoli della conducibilità elettrica a proposito dei metalli, attribuendo loro valori elevati di tale grandezza come conseguenza dell’alta mobilità elettronica che tali materiali vantano.

Una situazione ben diversa si presenta per alcuni elementi del 3° , 4° e 5° gruppo della tavola periodica, in particolare è opportuno parlare del silicio, il semiconduttore inorganico per eccellenza, ovvero il più diffuso oggi.

Il Silicio infatti, come pure il germanio , presenta una struttura cristallina cubica che corrisponde a quella del diamante, ovvero con quattro legami covalenti a legare altrettanti atomi adiacenti , con orbitali sp3 a geometria tetraedrica.

Silicio legami covalenti
Struttura del Silicio

Non a caso allo zero assoluto di temperatura il Silicio è un isolante, non conduce corrente elettrica perchè gli elettroni sono tutti impegnati nei legami chimici e non hanno sufficiente energia per allontanarsi dai siti di legame e diventare disponibili alla conduzione elettrica. Questa situazione è decisamente diversa a temperature superiori, quindi anche a temperatura ambiente: l’agitazione termica può mettere in condizione un numero crescente di elettroni di staccarsi dal loro naturale sito di legame ed acquisire libertà di spostamento nel reticolo cristallino, diventando cioè elettroni di conduzione.

Questo a sua volta comporta la formazione di lacune elettroniche in corrispondenza dei legami covalenti rotti, ovvero delle cariche positive che a loro volta contribuiscono alla conduzione elettrica. Un ulteriore elettrone proveniente da un atomo vicino del reticolo, attratto dalla carica positiva può andare ad occuparla, generando così una nuova carica positiva nel suo sito di legame abbandonato e così via: questo dà vita a quello spostamento dei carriers (trasportatori di carica) alla base del passaggio di corrente elettrica nel materiale.

Lacune ed elettroni, entrambi carriers di carica elettrica , si generano a coppie e sempre a coppie scompaiono per effetto di una ricombinazione, ovvero la formazione di nuovo di un legame covalente nel cristallo. Questo dunque è ciò che a livello microscopico accade nei semiconduttori inorganici, dove i trasportatori di carica sono di due tipi, a differenza dei metalli dove gli elettroni sono gli unici carriers.

 

Ma un approccio più diffuso alla comprensione della conduzione elettrica, utile a spiegare la differenza tra semiconduttori, conduttori ed isolanti viene dall’applicazione della meccanica quantistica: parliamo della teoria delle bande elettroniche.

Le cosiddette bande di conduzione e quella di valenza sono fitti pacchetti di livelli energetici (generati per sovrapposizione di orbitali atomici) occupabili dagli elettroni, che nel caso dei semiconduttori e degli isolanti sono distanziate da un gap di banda di ampiezza variabile a seconda del materiale.

A temperatura ambiente nel Silicio tutti o quasi gli elettroni di valenza sono disposti nella banda di valenza , a più bassa energia, ma ci sono senza dubbio elettroni che dispongono di energia a sufficienza per saltare il gap e portarsi nella banda di conduzione, generando così una lacuna nella banda di valenza appena lasciata. Negli isolanti il band gap è troppo ampio, gli elettroni rimangono confinati nella banda di valenza, nei conduttori invece le due bande sono contigue o sovrapposte.

band gap nei semiconduttori
Struttura a bande elettroniche

Chimitutor -24 Luglio 2017