Cosa è un semiconduttore intrinseco

Cosa è un Semiconduttore Intrinseco?

Definizione di Semiconduttore Intrinseco

Un semiconduttore è un materiale la cui conduttività si trova tra quella dei conduttori e degli isolanti. I semiconduttori chimicamente puri, ovvero privi di impurità, sono chiamati Semiconduttori Intrinseci o Semiconduttori Non Dopati o i-tipo. I semiconduttori intrinseci più comuni sono il Silicio (Si) e il Germanio (Ge), che appartengono al Gruppo IV della tavola periodica. I numeri atomici di Si e Ge sono 14 e 32, rispettivamente, con configurazioni elettroniche 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 e 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2.

Entrambi, Si e Ge, hanno quattro elettroni nel loro strato esterno, o di valenza. Questi elettroni di valenza sono responsabili delle proprietà di conduzione dei semiconduttori.

La rete cristallina del Silicio (è la stessa anche per il Germanio) in due dimensioni è mostrata nella Figura 1. Qui si vede che ogni elettrone di valenza di un atomo di Si si accoppia con l'elettrone di valenza dell'atomo di Si adiacente per formare un legame covalente.

Dopo l'accoppiamento, i semiconduttori intrinseci mancano di portatori di carica liberi, che sono gli elettroni di valenza. A 0K, la banda di valenza è piena e la banda di conduzione è vuota. Nessun elettrone di valenza ha abbastanza energia per superare la forbice energetica proibita, facendo sì che i semiconduttori intrinseci agiscano come isolanti a 0K.

Tuttavia, a temperatura ambiente, l'energia termica può causare la rottura di alcuni legami covalenti, generando elettroni liberi come mostrato nella Figura 3a. Gli elettroni così generati si eccitano e si muovono dalla banda di valenza alla banda di conduzione, superando la barriera energetica (Figura 2b). Durante questo processo, ogni elettrone lascia dietro di sé un buco nella banda di valenza. Gli elettroni e i buchi creati in questo modo sono chiamati portatori di carica intrinseci e sono responsabili delle proprietà conduttive esibite dal materiale semiconduttore intrinseco.

Anche se i semiconduttori intrinseci possono condurre a temperatura ambiente, la loro conduttività è bassa a causa del numero ridotto di portatori di carica. Con l'aumento della temperatura, si rompono più legami covalenti, generando più elettroni liberi. Questi elettroni si spostano dalla banda di valenza alla banda di conduzione, aumentando la conduttività. Il numero di elettroni (ni) è sempre uguale al numero di buchi (pi) nel semiconduttore intrinseco.

Applicando un campo elettrico a un tale semiconduttore intrinseco, le coppie elettrone-buco possono essere fatte scorrere sotto la sua influenza. In questo caso, gli elettroni si muovono in direzione opposta a quella del campo applicato, mentre i buchi si muovono nella direzione del campo elettrico, come mostrato nella Figura 3b. Ciò significa che la direzione lungo la quale si muovono gli elettroni e i buchi sono reciprocamente opposte. Questo perché, quando un elettrone di un particolare atomo si muove, diciamo, verso sinistra, lasciando un buco al suo posto, l'elettrone dell'atomo vicino occupa il suo posto ricombinandosi con quel buco. Tuttavia, facendo ciò, avrebbe lasciato un altro buco al suo posto. Questo può essere visto come il movimento dei buchi (verso destra in questo caso) nel materiale semiconduttore. Questi due movimenti, sebbene in direzioni opposte, risultano nel flusso totale di corrente attraverso il semiconduttore.

Matematicamente, le densità dei portatori di carica nei semiconduttori intrinseci sono date da

Qui,

Nc è la densità effettiva degli stati nella banda di conduzione.

Nv è la densità effettiva degli stati nella banda di valenza.

k è la costante di Boltzmann.

T è la temperatura.

EF è l'energia di Fermi.

Ev indica il livello della banda di valenza.

Ec indica il livello della banda di conduzione.

h è la costante di Planck.

mh è la massa efficace di un buco.

me è la massa efficace di un elettrone.