Lo stato solido
1. Semiconduttori
3.2 I solidi e le bande di energia
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La maggior parte dei solidi ha una struttura cristallina
disposizione regolare di atomi nello spazio
Quando gli atomi si uniscono a formare il cristallo, ciascuno degli stati meno
legati di ogni atomo singolo dà luogo a un insieme a un insieme di livelli
così vicini da costituire una banda di energia praticamente continua.
La scissione in bande dei livelli di energia di legame minore fa sì che si
generino intervalli energetici permessi agli elettroni del cristallo (bande
permesse), e intervalli vietati (bande proibite) detti gap, che separano tra
loro le bande permesse.
3.2 Isolanti e conduttori
Isolanti: tutti i livelli contigui di una banda sono già occupati
da altri elettroni, quindi gli elettroni non possono acquistare
energia per muoversi
Conduttori: una banda non è completamente occupata
da altri elettroni, quindi gli elettroni possono acquistare
energia divenendo così mobili
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In un conduttore metallico gli elettroni di conduzione appartengono a una
banda non piena; essendo condivisi da tutti gli atomi del reticolo, sono liberi
di muoversi attraverso l’intero cristallo (gas di Fermi). La condivisione di
questi elettroni dà luogo al legame metallico covalente.
3.3 I semiconduttori
Semiconduttori (silicio, germanio):
 Solidi con resistività intermedia tra conduttori e isolanti
 Resistività diminuisce al crescere della temperatura


Allo zero assoluto un semiconduttore è un isolante con un piccolo gap tra la
più alta banda completamente piena e la successiva banda completamente
vuota.
A temperatura ambiente, alcuni elettroni, acquistando
energia a causa dell’agitazione termica, possono
raggiungere i livelli inferiori della banda più alta,
superando il gap. Da una banda piena e una vuota
si passa a una banda quasi piena (banda di valenza)
e una banda quasi vuota (banda di conduzione)
3.3 I semiconduttori drogati
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Per aumentare la conducibilità di un semiconduttore si introducono
impurezze all’interno del cristallo (semiconduttore drogato)
Esempio 1: cristallo di silicio drogato con arsenico (donatore)
Il silicio ha quattro elettroni negli orbitali atomici più esterni e forma quattro
legami covalenti con gli atomi vicini. L’arsenico ha cinque elettroni esterni e
se viene sostituito al silicio, rimane un elettrone libero, che aumenta la
conducibilità (semiconduttore di tipo-n, negativo)
3.3 I portatori positivi di carica

Esempio 2: cristallo di silicio drogato con boro (accettore):
Il boro ha tre elettroni esterni e se viene sostituito al silicio, rimane, nella
banda di valenza, un posto libero (buca o lacuna), che si comporta come un
portatore di carica positiva (semiconduttore di tipo-p, positivo)

Quando una lacuna viene occupata da un elettrone vicino, quest’ultimo lascia
dietro di sé un posto vuoto e l’effetto risultante è che la lacuna si è spostata in
senso opposto all’elettrone.
3.4 Il diodo a semiconduttore

Giunzione tra due semiconduttori, uno di tipo-n l’altro di tipo-p.
A causa dell’agitazione termica, alcuni elettroni di conduzione passano dal
cristallo n al cristallo p e al cune lacuna de cristallo p al cristallo n, con
conseguente ricombinazione di elettroni e lacune

Si forma, sui lati della giunzione, un sottile strato privo di portatori mobili
(strato di svuotamento) e restano cariche negative fisse nel cristallo di
tipo-p e cariche positive fisse nel cristallo di tipo-n: campo elettrico da n a p
e differenza di potenziale (di barriera) di 0,6-0,7 V
3.4 La polarizzazione del diodo
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Il diodo agisce da raddrizzatore: consente il passaggio della corrente
elettrica in un verso, ma non nel verso opposto.
Infatti, se si connette il polo + di un generatore alla regione n e il polo – alla
regione p (polarizzazione inversa), si intensifica il campo elettrico
attraverso la giunzione e la corrente è bloccata
Viceversa, se si connette il polo - di un generatore alla regione n e il polo +
alla regione p (polarizzazione diretta), il generatore crea un campo
elettrico che si contrappone a quello esistente e la corrente fluisce.

Applicazioni: raddrizzatori per convertire la corrente alternata in corrente
continua nei dispositivi elettronici alimentati dalla rete