In questo post apprendiamo in modo esauriente i principi di funzionamento fondamentali dei dispositivi a semiconduttore e come funziona la struttura interna dei semiconduttori sotto l'influenza dell'elettricità.
Il valore di resistività tra questi materiali semiconduttori non ha né una caratteristica conduttrice completa né un isolante completo, è tra questi due limiti.
Questa caratteristica può definire la proprietà del semiconduttore del materiale, tuttavia sarebbe interessante sapere come funziona un semiconduttore tra un conduttore e un isolante.
Resistività
Secondo la legge di Ohm, la resistenza elettrica di un dispositivo elettronico è definita come il rapporto tra la differenza di potenziale attraverso il componente e la corrente che scorre attraverso il componente.
Ora l'utilizzo della misurazione della resistenza può porre un problema, il suo valore cambia al variare della dimensione fisica del materiale resistivo.
Ad esempio, quando un materiale resistivo viene aumentato in lunghezza, anche il suo valore di resistenza aumenta proporzionalmente.
Allo stesso modo, quando il suo spessore aumenta, il suo valore di resistenza diminuisce proporzionalmente.
La necessità qui è di definire un materiale che possa indicare una proprietà di conduzione o di opposizione alla corrente elettrica indipendentemente dalla sua dimensione, forma o aspetto fisico.
La grandezza per esprimere questo particolare valore di resistenza è nota come Resistività, che ha il simbolo ρ, (Rho)
L'unità di misura della resistività è Ohm-metro (Ω.m), e può essere inteso come un parametro inverso della conducibilità.
Al fine di ottenere i confronti tra le resistività di diversi materiali, questi sono classificati in 3 categorie principali: conduttori, isolanti e semiconduttori. La tabella seguente fornisce i dettagli richiesti:
Come puoi vedere nella figura sopra, c'è una differenza trascurabile nella resistività di conduttori come l'oro e l'argento, mentre potrebbe esserci una differenza significativa nella resistività tra isolanti come quarzo e vetro.
Ciò è dovuto alla loro risposta alla temperatura ambiente che rende i metalli conduttori estremamente efficienti rispetto agli isolanti
Conduttori
Dal grafico sopra si capisce che i conduttori hanno la minima quantità di resistività, che può essere tipicamente in microohm / metro.
A causa della loro bassa resistività la corrente elettrica è in grado di attraversarli facilmente, grazie alla disponibilità di una grande quantità di elettroni.
Tuttavia, questi elettroni possono essere spinti solo quando la loro è una pressione attraverso il conduttore e questa pressione può essere formata applicando una tensione attraverso il conduttore.
Pertanto, quando un conduttore viene applicato con una differenza di potenziale positiva / negativa, gli elettroni liberi di ciascun atomo del conduttore sono costretti a staccarsi dai loro atomi genitori e iniziano a spostarsi all'interno del conduttore, ed è generalmente noto come flusso di corrente .
Il grado in cui questi elettroni sono in grado di muoversi dipende dalla facilità con cui possono essere liberati dai loro atomi, in risposta a una differenza di tensione.
I metalli sono generalmente considerati buoni conduttori di elettricità, e tra i metalli, oro, argento, rame e alluminio sono i migliori conduttori ordinati.
Poiché questi conduttori hanno pochissimi elettroni nella banda di valenza dei loro atomi, vengono facilmente spostati da una differenza di potenziale e iniziano a saltare da un atomo all'altro attraverso un processo chiamato 'Effetto Domino', risultante in un flusso di corrente attraverso il conduttore.
Sebbene l'oro e l'argento siano i migliori conduttori di elettricità, rame e alluminio sono preferiti per realizzare fili e cavi a causa del loro basso costo e abbondanza, e anche della loro robustezza fisica.
Nonostante il fatto che il rame e l'alluminio siano buoni conduttori di elettricità, hanno ancora una certa resistenza, perché nulla può essere ideale al 100%.
Sebbene piccola, la resistenza offerta da questi conduttori può diventare significativa con l'applicazione di correnti più elevate. Alla fine la resistenza alla corrente più elevata su questi conduttori viene dissipata come calore.
Isolanti
Contrariamente ai conduttori, gli isolanti sono cattivi conduttori di elettricità. Questi sono generalmente sotto forma di non metalli e hanno pochi elettroni vulnerabili o liberi con i loro atomi genitori.
Significa che gli elettroni di questi non metalli sono strettamente legati ai loro atomi genitori, che sono estremamente difficili da rimuovere con l'applicazione della tensione.
A causa di questa caratteristica, quando viene applicata la tensione elettrica gli elettroni non riescono ad allontanarsi dagli atomi risultando in nessun flusso di elettroni e quindi non ha luogo alcuna conduzione.
Questa proprietà porta ad un valore di resistenza molto elevato all'isolante, dell'ordine di molti milioni di Ohm.
Materiali come vetro, marmo, PVC, plastica, quarzo, gomma, mica, bachelite sono esempi di buoni isolanti.
Proprio come il conduttore, gli isolanti svolgono ugualmente un ruolo importante nel campo dell'elettronica. Senza isolante sarebbe impossibile isolare le differenze di tensione tra gli stadi del circuito, portando a cortocircuiti.
Ad esempio, vediamo l'uso di porcellana e vetro nelle torri ad alta tensione per trasmettere l'alimentazione CA in modo sicuro attraverso i cavi. Nei fili utilizziamo il PVC per isolare i terminali positivi e negativi e nei PCB utilizziamo la bachelite per isolare le tracce di rame l'una dall'altra.
Nozioni di base sui semiconduttori
Materiali come il silicio (Si), il germanio (Ge) e l'arseniuro di gallio rientrano nei materiali semiconduttori di base. È perché questi materiali hanno la caratteristica di condurre l'elettricità in modo intermedio non dando luogo né a una corretta conduzione né a un adeguato isolamento. A causa di questa proprietà, questi materiali sono denominati semiconduttori.
Questi materiali mostrano pochissimi elettroni liberi attraverso i loro atomi, che sono strettamente raggruppati in un tipo di formazione a reticolo cristallino. Tuttavia, gli elettroni sono in grado di spostarsi e fluire, ma solo quando vengono impiegate condizioni specifiche.
Detto questo, diventa possibile aumentare la velocità di conduzione in questi semiconduttori introducendo o sostituendo una sorta di atomi 'donatori' o 'accettori' al layout cristallino, consentendo il rilascio di extra 'elettroni liberi' e 'buchi' o vice versa.
Questo viene implementato introducendo una certa quantità di materiale esterno al materiale esistente come il silicio o il germanio.
Di per sé, materiali come il silicio e il germanio sono classificati come semiconduttori intrinseci, a causa della loro natura chimica estremamente pura e della presenza di materiale semiconduttore completo.
Ciò significa anche che, applicando una quantità controllata di impurità in essi, siamo in grado di determinare la velocità di conduzione in questi materiali intrinseci.
Possiamo introdurre tipi di impurità denominati donatori o accettori a questi materiali per migliorarli con elettroni liberi o buchi liberi.
In questi processi, quando un'impurità viene aggiunta a un materiale intrinseco nella proporzione di 1 atomo di impurità per 10 milioni di atomi di materiale semiconduttore, viene definita come Doping .
Con l'introduzione di un'impurità sufficiente, un materiale semiconduttore potrebbe essere trasformato in un materiale di tipo N o di tipo P.
Il silicio è tra il materiale semiconduttore più popolare, con 4 elettroni di valenza attraverso il suo guscio più esterno e anche circondato da atomi adiacenti che formano un'orbita totale di 8 elettroni.
Il legame tra i due atomi di silicio è sviluppato in modo tale da consentire la condivisione di un elettrone con il suo atomo adiacente, portando ad un buon legame stabile.
Nella sua forma pura un cristallo di silicio può avere pochissimi elettroni di valenza liberi, attribuendogli le proprietà di un buon isolante, avendo valori di resistenza estremi.
Il collegamento di un materiale di silicio a una potenziale differenza non aiuterà alcuna conduzione attraverso di esso, a meno che non si crei un qualche tipo di polarità positiva o negativa.
E per creare tali polarità, il processo di doping viene implementato in questi materiali aggiungendo impurità come discusso nei paragrafi precedenti.
Comprensione della struttura dell'atomo di silicio
Nelle immagini sopra vediamo come appare la struttura di un normale reticolo cristallino di silicio puro. Per le impurità, normalmente materiali come Arsenico, Antimonio o Fosforo vengono introdotti all'interno dei cristalli semiconduttori trasformandoli in estrinseci, ovvero 'aventi impurità'.
Le impurità menzionate sono costituite da 5 elettroni sulla loro banda più esterna nota come impurità 'pentavalente', per la condivisione con i loro atomi adiacenti.
Ciò garantisce che 4 dei 5 atomi siano in grado di unirsi con gli atomi di silicio adiacenti, escludendo un singolo 'elettrone libero' che può essere liberato quando viene collegata una tensione elettrica.
In questo processo, poiché gli atomi impuri iniziano a 'donare' ogni elettrone attraverso il loro atomo vicino, gli atomi 'pentavalenti' vengono chiamati 'donatori'.
Usare l'antimonio per il doping
L'antimonio (Sb) e il fosforo (P) diventano spesso la scelta migliore per introdurre impurità 'pentavalenti' nel silicio. 
In Antimonio 51 elettroni sono disposti su 5 gusci attorno al suo nucleo, mentre la sua banda più esterna è composta da 5 elettroni.
A causa di ciò, il materiale semiconduttore di base è in grado di acquisire elettroni che trasportano corrente aggiuntivi, ciascuno attribuito con una carica negativa. Pertanto è denominato 'materiale di tipo N'.
Inoltre, gli elettroni sono denominati 'portatori di maggioranza' e le lacune che si sviluppano successivamente sono denominati 'portatori di minoranza'.
Quando un semiconduttore drogato con antimonio è sottoposto a un potenziale elettrico, gli elettroni che vengono eliminati vengono immediatamente sostituiti dagli elettroni liberi degli atomi di antimonio. Tuttavia, poiché il processo alla fine mantiene un elettrone libero fluttuante all'interno del cristallo drogato, ciò fa sì che sia un materiale caricato negativamente.
In questo caso, un semiconduttore può essere definito di tipo N se ha una densità del donatore superiore alla sua densità dell'accettore. Significa quando c'è un numero maggiore di elettroni liberi rispetto al numero di buchi, provocando una polarizzazione negativa, come indicato di seguito.
Comprensione del semiconduttore di tipo P.
Se consideriamo la situazione al contrario, introducendo un'impurità 'trivalente' di 3 elettroni in un cristallo semiconduttore, ad esempio se introduciamo alluminio, boro o indio, che contengono 3 elettroni nel loro legame di valenza, diventa quindi impossibile formare un 4 ° legame.
Per questo motivo una connessione completa diventa difficile, consentendo al semiconduttore di avere molti portanti caricati positivamente. Questi portatori sono chiamati 'buchi' attraverso l'intero reticolo semiconduttore, a causa di un sacco di elettroni mancanti.
Ora, a causa della presenza di buchi nel cristallo di silicio, un elettrone vicino viene attratto dal buco, tentando di riempire lo slot. Tuttavia, non appena gli elettroni tentano di farlo, lascia la sua posizione creando un nuovo buco nella sua posizione precedente.
Questo a sua volta attrae il prossimo elettrone vicino, che lascia di nuovo un nuovo buco mentre cerca di occupare il buco successivo. Il processo continua dando l'impressione che effettivamente i fori si muovano o fluiscano attraverso il semiconduttore, che generalmente riconosciamo come il modello di flusso convenzionale della corrente.
Quando i 'buchi sembrano muoversi' dà luogo a una carenza di elettroni che consente all'intero cristallo drogato di acquisire una polarità positiva.
Poiché ogni atomo di impurità diventa responsabile della generazione di un buco, queste impurità trivalenti sono chiamate 'Accettori' perché continuano ad accettare elettroni liberi continuamente nel processo.
Il boro (B) è uno degli additivi trivalenti comunemente utilizzati per il processo di doping sopra spiegato.
Quando il boro viene utilizzato come materiale drogante, fa sì che la conduzione abbia principalmente portatori caricati positivamente.
Ciò si traduce nella creazione di materiale di tipo P con fori positivi chiamati 'portatori di maggioranza', mentre gli elettroni liberi sono chiamati 'portatori di minoranza'.
Questo spiega come un materiale di base semiconduttore si trasforma in un tipo P a causa di una maggiore densità dei suoi atomi accettori rispetto agli atomi donatori.
Come viene usato il boro per il doping
Riassumendo le basi dei semiconduttori
Semiconduttore di tipo N (drogato con un'impurità pentavalente come l'antimonio per esempio)
Tali semiconduttori che sono drogati con atomi di impurità pentavalenti sono definiti donatori, poiché mostrano la conduzione attraverso il movimento degli elettroni e quindi sono definiti come semiconduttori di tipo N.
In Semiconductor di tipo N troviamo:
- Donatori a pagamento
- Abbondante numero di elettroni liberi
- Numero relativamente minore di 'buchi' rispetto agli 'elettroni liberi'
- Come risultato del doping, vengono creati donatori caricati positivamente ed elettroni liberi caricati negativamente.
- L'applicazione di una differenza di potenziale si traduce nello sviluppo di elettroni caricati negativamente e buchi caricati positivamente.
Semiconduttore di tipo P (drogato con un'impurità trivalente come il boro per esempio)
Tali semiconduttori che sono drogati con atomi di impurità trivalenti sono definiti come Accettori, poiché mostrano la conduzione attraverso il movimento dei fori e quindi sono definiti come semiconduttori di tipo P.
In Semiconductor di tipo N troviamo:
- Accettatori caricati negativamente
- Abbondante quantità di fori
- Numero relativamente minore di elettroni liberi rispetto alla presenza di lacune.
- Il doping si traduce nella creazione di accettori caricati negativamente e buchi caricati positivamente.
- L'applicazione di un campo di tensione provoca la generazione di lacune caricate positivamente e di elettroni liberi caricati negativamente.
Di per sé, i semiconduttori di tipo P e N sono elettricamente neutri, naturalmente.
Comunemente, l'antimonio (Sb) e il boro (B) sono i due materiali che vengono impiegati come elementi droganti a causa della loro abbondante disponibilità. Questi sono anche chiamati 'mettaloidi'.
Detto questo, se guardi la tavola periodica, troverai molti altri materiali simili aventi 3 o 5 elettroni nella loro banda atomica più esterna. Ciò implica che questi materiali possono anche diventare adatti allo scopo del drogaggio.
Tavola periodica 
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