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E'
un materiale la cui resistività (e di conseguenza la conducibilità) si
trova ad una via di mezzo tra la resistività dei materiali conduttori e
quella dei materiali isolanti. Ciò è indicato nella tabella n°1, nella
quale i valori di resistività sono espressi in Ω
cm (questa unità si riferisce alla
resistività di un cubetto di un dato
materiale con 1 cm
di lato). I materiali semiconduttori più
noti sono il germanio,
il silicio,
il selenio
ed altri composti, per es., l'ossido di
rame. Allo stato puro e alle basse
temperature, i materiali semiconduttori si comportano come isolanti quasi
perfetti. Per renderli conduttori è necessario o riscaldarli od esporli
all'illuminazione. In pratica, però, la loro conducibilità viene variata
mediante inserimento, di atomi di altri materiali (per es. antimonio,
indio e fosforo)
nel loro reticolo cristallino, in modo da conferire ad essi una conducibilità
di tipo p
o di tipo n.
Questa operazione si chiama drogaggio e
sta alla base della fabbricazione di tutti i dispositivi a semiconduttore.
Un
cristallo di silicio o di germanio è conduttore di tipo N, quando in esso
esistono atomi donatori, o, detto altrimenti, quando esso è drogato con
atomi donatori. In pratica per "drogare" il silicio od il
germanio, e renderli conduttori di tipo N, si inseriscono, con opportune
tecniche, degli atomi di fosforo,
arsenico o antimonio. Questi sono
elementi chimici in cui gli atomi possiedono 5
elettroni di valenza. Per cui esiste
un elettrone in più di quelli necessari
al legamento con gli atomi di silicio o di germanio
che sono tetravalenti,
cioè hanno 4 elettroni di
valenza.
Un cristallo di silicio o di germanio è conduttore di tipo P, quando in
esso esistono atomi accettori, o, ancora detto altrimenti, quando esso è
drogato con atomi accettori. Per "drogare" il silicio od il
germanio e renderli conduttori di tipo P, si inseriscono con appropriata
tecniche degli atomi di boro, alluminio,
gallio o indio, elementi chimici i cui
atomi possiedono solo 3 elettroni di
valenza. Per cui nel punto di legamento
di uno di questi atomi accettori, manca un
elettrone per legarsi a quelli tetravalenti del silicio o del germanio.
In un cristallo drogato N, a temperatura normale, ogni atomo donatore cede
il proprio elettrone esuberante, che potrà muoversi liberamente nel
cristallo. Allo stesso modo in un cristallo drogato P, ogni atomo accettare
cede la sua "cavità" che si sposta liberamente. La capacità di
condurre di un cristallo è dunque tanto più grande quanto maggiore è il
numero di atomi donatori o di atomi accettori contenuti nel cristallo
stesso. Quando si parla di cristalli di silicio o di germanio fortemente
drogati, significa che vi sono stati
inseriti circa un atomo drogante per ogni 10^2 sino a
10^4 atomi di silicio o di germanio. Nei cristalli debolmente drogati
al contrario, si ha circa un atomo drogante per ogni 10^6 sino a 10^9 atomi
di silicio o di germanio.
Tab. 1 Supponiamo di rappresentarci un cristallo di silicio, la cui metà sinistra sia conduttrice di tipo P e la metà destra conduttrice di tipo N (vedi figura 1). La metà sinistra conterrà perciò degli atomi "accettori" che avendo ceduto le loro "cavità" (positive), si sono caricati negativamente (colore verde). Per contro la metà destra conterrà degli atomi "donatori" che avendo ceduto i loro elettroni liberi, si sono caricati positivamente (colore rosso). Nella figura si è cercato di rappresentare questo comportamento, e si è perciò evitato per chiarezza, di indicare anche gli innumerevoli atomi di silicio che costituiscono la stragrande maggioranza degli atomi del cristallo. L'assieme dei punti, cioè la linea, che delimitano il passaggio da una zona di cristallo conduttrice P ad una zona dello stesso cristallo conduttrice N, viene chiamata, in base alla terminologia inglese (PN-Junction): giunzione PN.
Fig. 1
Gli
elettroni liberi e le cavità, sotto l'influenza della temperatura del
cristallo sono animati da un movimento di turbolenza permanente, simile a
quello delle molecole di un gas. Pertanto hanno la possibilità di
distribuirsi equamente in tutto il cristallo. Le cavità, che dapprima si
potevano trovare solo nella zona sinistra dei semiconduttore, quella
conduttrice P, cercano di diffondersi parzialmente nella zona di destra,
conduttrice N, e viceversa una parte degli elettroni liberi dalla zona
destra conduttrice N cerca di diffondersi nella zona sinistra, conduttrice
P. A questo vagare, o diffondersi di portatori di cariche, è dovuto il
fluire di una corrente elettrica che viene chiamata corrente
di diffusione.
Alla corrente di diffusione viene però, per così dire, imposto un limite, dal fatto che le cavità (vedi figura 2), che dalla zona sinistra conduttrice P si diffondono verso destra, lasciano dietro di se degli atomi accettori che ora si sono caricati negativamente, e che quindi esercitano una forza di attrazione sulle cavità cariche positivamente, generando una forza frenante sulla corrente di cavità. Lo stesso vale naturalmente anche per gli elettroni liberi che da destra diffondono verso sinistra, e che lasciano nella zona conduttrice N dei donatori caricatisi positivamente. Quanto detto in precedenza vale dunque solo per temperature molto basse, mentre la figura qui sotto, rappresentata indica le condizioni già a temperatura normale. Il diffondersi degli elettroni liberi dalla zona conduttrice N nella zona conduttrice P, e viceversa, delle cavità dalla zona conduttrice P nella zona conduttrice N, porta a due conseguenze. La prima è che gli elettroni e le cavità che si spostano nella diffusione, lasciano dietro a sé degli atomi rispettivamente donatori ed accettori che non si spostano, ma le cui cariche elettriche ora non vengono più compensate rispettivamente da elettroni e da cavità. Quindi nella zona conduttrice P della giunzione PN si forma una carica negativa non compensata, e rispettivamente nella zona conduttrice N della giunzione PN si crea una carica positiva, anch'essa non compensata. Questo stato elettrico ci ricorda subito quello di un condensatore a placche carico, e, come nel condensatore, le cariche non compensate da entrambe le parti della giunzione PN, danno luogo ad una tensione di diffusione.
La
ragione fondamentale per cui si forma una tensione di diffusione in una
giunzione PN, è dovuta al fatto che la concentrazione di elettroni liberi e
di cavità nelle zone di conduttività P ed N, è molto differente, e, sia
gli elettroni che le cavità, a causa dei loro movimenti dovuti alla
temperatura, cercano di compensare questa disparità di concentrazione.
D'altra parte anche in un metallo (ad es. nel rame) la concentrazione degli
elettroni liberi è molto maggiore che in un cristallo di silicio o di
germanio, con conduzione P od N. Per cui avviene che anche nel punto di
contatto fra i terminali di metallo ed il semiconduttore deve formarsi una
tensione di diffusione. E' quindi facile intuire che in un circuito chiuso
(vedi figura): rame -
silicio P - silicio N - rame, le singole
tensioni di diffusione nei punti di giunzione si
compensano esattamente,
altrimenti scorrerebbe in permanenza una corrente elettrica.
II formarsi di una tensione di diffusione in una giunzione PN è la prima conseguenza dovuta alla diffusione di elettroni liberi e di cavità attraverso una giunzione PN. La seconda è molto più facile da intuire: a causa del propagarsi della diffusione di elettroni liberi e di cavità in entrambi i lati della giunzione PN, questa viene a trovarsi ampiamente "svuotata" di portatori di cariche liberi. Ciò però significa che questa zona assume una resistenza ohmica relativamente alta. In questa zona la carica elettrica degli atomi accettori e donatori non viene più integralmente compensata da elettroni e cavità. Ora, dato che questa zona di carica elettrica non compensata è distribuita spazialmente nel cristallo di silicio, questo spazio "svuotato" di portatori di cariche viene denominato: zona di carica spaziale.
Fig. 3
Softmax Production
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