Fondamenti dei Semiconduttori: Struttura, Drogaggio e Polarizzazione della Giunzione P-N

Il Semiconduttore: Definizione e Proprietà Fondamentali

Un semiconduttore è un elemento materiale la cui conducibilità elettrica si situa tra quella di un isolante e quella di un conduttore, in ordine crescente.

I semiconduttori più conosciuti sono il Silicio (Si) e il Germanio (Ge). Poiché, come vedremo, il comportamento del Silicio è più stabile rispetto al Germanio contro gli shock esterni che possono alterare la loro normale risposta, il Silicio (Si) è l'elemento semiconduttore più comunemente usato nella fabbricazione di componenti elettronici a stato solido. Faremo riferimento generale al Silicio, tenendo conto che il processo per il Germanio è abbastanza simile.

Come tutti gli altri, l'atomo di Silicio possiede cariche positive nel nucleo ed elettroni in orbita attorno ad esso (nel caso del Silicio, questo numero è 14). L'interesse nei semiconduttori si concentra sulla loro capacità di generare una corrente, cioè un movimento di elettroni. Come noto, un elettrone si sente più legato al nucleo quanto maggiore è la vicinanza tra i due. Pertanto, gli elettroni meno attratti dalla forza del nucleo e che possono essere rilasciati da esso sono quelli che si trovano nelle orbite esterne. Questi elettroni possono, come già detto, essere liberati iniettando una certa energia.

La nostra attenzione si concentra su questi elettroni esterni. Per questo motivo, invece di utilizzare il modello completo di un atomo di Silicio (Fig. 1), useremo la rappresentazione semplificata (Figura 2) che evidenzia la zona di interesse.

L'area ombreggiata nella Figura 2 rappresenta in modo semplificato l'area ombreggiata nella Figura 1.

Come si può vedere in figura, gli elettroni che possono essere liberati dalla forza di attrazione del nucleo sono quattro.

Semiconduttore Intrinseco (Puro)

Quando il Silicio è formato solo da atomi del tipo descritto nel paragrafo precedente, si dice che è in forma pura o, più in generale, è un semiconduttore intrinseco.

Una barra di Silicio puro è formata da un insieme di atomi legati tra loro secondo una data struttura geometrica, nota come reticolo cristallino.

Se in queste condizioni viene iniettata energia dall'esterno, alcuni degli elettroni nei gusci esterni non saranno più vincolati e potranno muoversi. Logicamente, se un elettrone si allontana dall'atomo, questo non è più neutro; diciamo che è caricato positivamente (ha una carica negativa in meno), o che è apparsa una lacuna (o buca). Associamo quindi la lacuna a una carica positiva o al sito precedentemente occupato da un elettrone.

L'atomo tenderà sempre a tornare al suo stato normale, con carica neutra, e cercherà quindi di attrarre un elettrone da un altro atomo per riempire la lacuna.

L'iniezione di energia esterna si manifesta come un processo continuo che può realizzare due fenomeni:

1. Gli elettroni vengono liberati e si spostano da un atomo all'altro lungo la barra di materiale semiconduttore di Silicio.
2. Comparsa e scomparsa delle lacune nei vari atomi del semiconduttore.

È quindi chiaro che l'unico vero movimento che esiste all'interno di un semiconduttore è quello degli elettroni. Quello che succede è che le lacune appaiono e scompaiono, come "cariche positive", in diversi punti del semiconduttore. Queste sembrano muoversi, causando un flusso di cariche positive. Questo movimento apparente delle lacune è, in realtà, fittizio. Le lacune non si muovono, ma sembra che lo facciano.

Tuttavia, per facilitare lo studio dei semiconduttori, si parla di corrente di lacune (cariche positive), poiché risulta più conveniente e i risultati sono gli stessi che si otterrebbero considerando solo il movimento reale degli elettroni.

Drogaggio del Semiconduttore (Doping)

Applicando una tensione al cristallo di Silicio, il polo positivo della batteria cercherà di attrarre gli elettroni (negativi) e il polo negativo cercherà di attrarre le lacune (positive), promuovendo così l'emergere di una corrente attraverso il circuito.

Direzione del movimento di un elettrone e di una lacuna nel Silicio:

• Gli elettroni si muovono verso il polo positivo.
• Le lacune si muovono verso il polo negativo.

Tuttavia, questa corrente che appare è di valore molto ridotto, poiché sono pochi gli elettroni che possono essere liberati dai legami tra gli atomi di Silicio. Per aumentare il valore di questa corrente, abbiamo due possibilità:

1. L'applicazione di un valore di tensione più elevato.
2. Introdurre nel semiconduttore elettroni o lacune aggiuntive dall'esterno.

La prima soluzione non è praticabile perché, pur aumentando notevolmente il valore della tensione applicata, la corrente che appare non è sufficiente. La soluzione scelta è la seconda.

In quest'ultimo caso si dice che il semiconduttore è "drogato".

Il drogaggio consiste nel sostituire alcuni atomi di Silicio con atomi di altri elementi. Questi ultimi sono noti come impurità. A seconda del tipo di impurità con cui viene drogato il semiconduttore intrinseco (puro), si distinguono due tipi di semiconduttori estrinseci:

• Semiconduttore di tipo P
• Semiconduttore di tipo N

Semiconduttore di Tipo N

Se in un reticolo cristallino di Silicio (atomi di Silicio collegati tra loro tramite legami covalenti, dove ogni atomo condivide i suoi quattro elettroni di valenza con quattro atomi vicini)...

... sostituiamo uno dei suoi atomi (che sappiamo avere 4 elettroni nel suo strato esterno) con un atomo di un altro elemento che contiene cinque elettroni nel guscio esterno (impurità pentavalente), accade che quattro di questi elettroni vengono utilizzati per il legame con il resto degli atomi del reticolo, e il quinto elettrone rimane libero.

Reticolo di Silicio Drogato di Tipo N

Questa rete di Silicio "drogata" con questo tipo di impurità è chiamata "Silicio di tipo N" (dove N sta per Negativo, riferendosi alla carica dei portatori in eccesso).

In questa situazione, vi è un maggior numero di elettroni rispetto alle lacune. Pertanto, le lacune sono chiamate "portatori di minoranza" e gli elettroni sono chiamati "portatori di maggioranza".

Le impurità di tipo N più comunemente usate nel processo di drogaggio sono Arsenico, Antimonio e Fosforo.

È chiaro che se una tensione viene applicata ai terminali di un semiconduttore drogato, la possibilità che si verifichi una corrente nel circuito è superiore rispetto al caso in cui la stessa tensione venga applicata a un semiconduttore intrinseco o puro.

Semiconduttore di Tipo P

Se in un reticolo cristallino di Silicio (atomi di Silicio collegati tra loro tramite legami covalenti, dove ogni atomo condivide i suoi quattro elettroni di valenza con quattro atomi vicini)...

... sostituiamo uno dei suoi atomi (che sappiamo avere 4 elettroni nel suo strato esterno) con un atomo di un altro elemento che ha solo tre elettroni nel suo strato esterno (impurità trivalente), sembra che questi tre elettroni colmino le lacune lasciate dagli elettroni di un atomo di Silicio, ma poiché ne mancano quattro, si formerà una lacuna. In sostanza, la sostituzione di un atomo con un altro provoca la comparsa di lacune nel cristallo di Silicio.

Così, ora i "portatori di maggioranza" sono le lacune e gli elettroni sono i "portatori di minoranza".

Questa rete di Silicio drogata con questo tipo di impurità si chiama "Silicio di tipo P" (dove P sta per Positivo, riferendosi alla carica delle lacune in eccesso).

Reticolo di Silicio Drogato di Tipo P

Rappresentazione e Livelli di Drogaggio

I semiconduttori drogati sono rappresentati indicando il tipo di portatori di maggioranza.

Il livello di drogaggio di un semiconduttore non è sempre lo stesso; può essere "poco drogato", "molto drogato", ecc.

È prassi comune utilizzare il segno (+) per indicare che un semiconduttore è fortemente drogato.

Esempi di notazione:

• N+ : Semiconduttore di tipo N fortemente drogato.
• P+ : Semiconduttore di tipo P fortemente drogato.

Tutti i componenti elettronici a stato solido che vedremo in seguito (transistor, diodi, tiristori) non sono altro che un insieme di semiconduttori drogati, disposti in modi diversi.

La Giunzione P-N e la Polarizzazione

Polarizzazione Diretta (Forward Bias)

Se applichiamo a questa giunzione (formata dall'unione di materiale P e N) una tensione esterna opposta al potenziale di barriera interno, la larghezza della regione di svuotamento si riduce. Una tensione esterna applicata più alta corrisponde a una barriera interna inferiore, fino a far scomparire completamente la barriera.

A questo punto, gli elettroni (portatori di maggioranza) nella zona N sono disponibili a passare alla zona P. Allo stesso modo, le lacune della zona P sono disponibili a "passare" alla zona N.

Illustrazione degli effetti della polarizzazione diretta:

1. Non polarizzato (a)
2. Polarizzazione diretta debole: regione di svuotamento ridotta ma non eliminata (b)
3. Aumentando la polarizzazione: la zona di svuotamento e il potenziale di barriera interno associato sono stati compensati (c)

La tensione esterna che annulla la barriera di potenziale e rende la giunzione pronta per il passaggio dei rispettivi portatori di maggioranza è chiamata Tensione di Soglia (V_u o V_po). I valori pratici sono:

• Per il Silicio (Si): V_u = 0,4 – 0,5 Volt
• Per il Germanio (Ge): V_u = 0,05 – 0,06 Volt

In questa situazione, aumentando la tensione esterna applicata, gli elettroni saranno attratti dal polo positivo della batteria e le lacune dal polo negativo. Non vi è alcuna difficoltà nell'attraversare la giunzione e quindi si manifesterà una corrente di maggioranza attraverso il circuito. Da qui, un aumento della tensione provoca un aumento della corrente.

L'insieme delle tensioni che generano corrente proporzionale nel diodo sono chiamate Tensioni di Polarizzazione o di Funzionamento. I loro valori tipici sono:

• Per il Silicio: 0,5 – 0,8 Volt
• Per il Germanio: 0,06 – 0,15 Volt

Il Flusso di Corrente in un Diodo Polarizzato Direttamente

Sembra che ci sarà un momento in cui il processo, aumentando la tensione esterna, e quindi la potenza nella giunzione, debba fermarsi. Questo perché, a partire da un dato valore della tensione esterna applicata, gli elettroni vengono neutralizzati da un maggior numero di lacune all'interno del diodo e sono pochi quelli che possono raggiungere il circuito esterno. Ciò significa che l'aumento di tensione viene assorbito dal diodo stesso. Questa tensione, oltre la quale la corrente che attraversa il diodo si mantiene costante (aumenta leggermente, in pratica), è chiamata Tensione di Saturazione (V_sat).

I loro valori tipici sono:

• Per il Silicio: V_sat = 0,8 – 0,9 Volt
• Per il Germanio: V_sat = 0,15 – 0,2 Volt

Qualsiasi tentativo di causare un aumento di corrente oltre questo punto può portare alla distruzione del diodo.

Polarizzazione Inversa (Reverse Bias)

Se la tensione esterna applicata al diodo ha lo stesso segno del potenziale di barriera interno, si dice che il diodo è polarizzato inversamente. Il terminale positivo della batteria richiama gli elettroni dal materiale N, allontanandoli dalla giunzione, mentre la carica negativa richiama le lacune dal materiale P, anch'esse allontanandole dalla giunzione.

Si crea in tal modo, nella giunzione, una regione priva di portatori di maggioranza (regione di svuotamento), formando una corrente molto piccola chiamata "corrente inversa di saturazione" o "corrente di dispersione". Il suo valore è trascurabile, dell'ordine dei nA (nanoampere).

La larghezza dello strato impoverito aumenta con la polarizzazione inversa della giunzione.

Effetti della Polarizzazione Inversa

1. Non polarizzazione inversa (a)
2. Applicando una polarizzazione inversa, la larghezza dello strato impoverito aumenta (b)

Aumentando la tensione inversa, si raggiunge un momento in cui il diodo perde la sua capacità di blocco e si verifica un grande flusso di corrente inversa. Questa tensione è chiamata Tensione di Rottura (Breakdown Voltage). Normalmente, in questa situazione, il diodo viene distrutto.