SEMICONDUTTORI

SEMICONDUTTORI

Generalità. - La definizione più antica, implicita nel nome stesso, identifica i s. come quei materiali che hanno una conducibilità elettrica intermedia fra quella dei metalli e quella degli isolanti. Tale definizione ha il pregio di essere semplice ed è tuttora soddisfacente in molti casi. Essa peraltro non è precisa ed esauriente, specie per materiali che presentano conducibilità ai limiti del campo indicato.

Si usa talvolta distinguere i materiali s. dagli altri, per il fatto che la loro conducibilità cresce con la temperatura. Anche questa, tuttavia, non è sempre una maniera precisa e diretta per distinguere un s. da un'altra sostanza e deve essere presa, come la precedente definizione, con le dovute cautele.

Per giungere a una definizione rigorosa della semiconduzione è necessario ricorrere ai concetti della meccanica quantistica. Premetteremo tuttavia una trattazione elementare approssimata del problema, valida soltanto in alcuni casi, fra cui quelli, molto importanti, dei s. covalenti, quali i cristalli di germanio e di silicio.

In questi cristalli gli atomi formano tra loro legami covalenti ciascuno dei quali è realizzato con due elettroni di valenza, provenienti da due atomi contigui. Poiché gli atomi di germanio e di silicio hanno quattro elettroni di valenza, ciascun atomo nel cristallo è legato a quattro vicini. La struttura cristallina è cubica, come quella del diamante, e può pensarsi costituita da otto reticoli cubici semplici (come quello tratteggiato in fig. 1 A) compenetrantisi. Questa struttura può essere rappresentata in un piano come nella fig. 1 B.

Allo zero assoluto tutti gli elettroni di valenza sono impegnati a formare i legami fra atomi contigui; non vi sono elettroni liberi di muoversi nel cristallo, sicché applicando un campo elettrico non si produce alcun flusso continuo di cariche: in altri termini, il materiale si comporta come un isolante. Al di sopra dello zero assoluto l'energia di agitazione termica nell'interno del cristallo può divenire sufficiente a spezzare qualcuno dei legami covalenti (v. fig. 1 C). Gli elettroni provenienti dai legami rotti acquistano la libertà di muoversi nell'interno del cristallo, in maniera analoga a quanto accade nei metalli. Nello stesso tempo, in corrispondenza ai legami rotti restano posti vacanti (lacune; ingl. holes) in cui elettroni possono facilmente passare da legami contigui: si origina cioè la possibilità di moto anche per gli elettroni dei legami, esclusa allo zero assoluto. Il movimento di questi equivale a un movimento delle lacune in verso opposto; si usa trattare le lacune come vere e proprie particelle ed assegnare loro una carica positiva: va però ben inteso che in realtà le cariche in moto sono sempre elettroni, sia pure in condizioni particolari.

Applicando quindi un campo elettrico a un monocristallo purissimo di germanio o di silicio, a temperatura sufficientemente elevata, si ha una corrente alla quale contribuiscono due tipi di portatori di carica: gli elettroni di conduzione (carichi negativamente; portatori di tipo n), e le lacune (cariche positivamente; portatori di tipo p), presenti sempre in egual numero. In questo caso si parla di conduzione intrinseca e di s. intrinseco.

Peraltro, accanto alle coppie elettrone-lacuna di origine termica, si possono produrre portatori di tipo p o di tipo n introducendo nel reticolo monocristallino piccole quantità di atomi di elementi opportuni ("drogaggio"). S'immagini, per es., che nel reticolo di silicio un atomo di arsenico, pentavalente, vada a sostituire uno di silicio (fig. 2 A). Quattro dei suoi elettroni di valenza realizzano, insieme ad altrettanti elettroni degli atomi di silicio contigui, i legami covalenti; il quinto, che allo zero assoluto resta molto debolmente legato al nocciolo di arsenico su un'orbita estendentesi notevolmente nel cristallo, a temperatura anche di pochi gradi si allontana definitivamente (fig. 2 B): si libera così un portatore di carica negativa mobile nel cristallo (l'elettrone anzidetto) e insieme si forma uno ione positivo fisso (atomo di arsenico privato di un elettrone). Un monocristallo di silicio o di germanio "drogato" con piccole quantità di elementi pentavalenti (As, P, Sb) a temperatura superiore a qualche decina di gradi Kelvin sarà quindi caratterizzato dall'avere un gran numero di elettroni liberi (in maggioranza), un certo numero di lacune (in minoranza) create per rottura dei legami Si-Si o Ge-Ge e un numero notevole di ioni positivi fissi. In un campo elettrico la conduzione è affidata essenzialmente ai portatori di carica negativa (elettroni) ed il s. si dice di tipo n. Tale tipo di conduzione è detta estrinseca. Gli atomi pentavalenti prendono il nome generico di atomi donatori.

Se il "drogaggio" viene effettuato con elementi trivalenti (Al, Ga, In, B), si producono circostanze analoghe per quanto riguarda le lacune (fig. 3): si ottiene un s. di tipo p, nel quale cioè la conduzione, estrinseca, è dovuta essenzialmente al moto di lacune. In esso si ha, a temperature non troppo basse, un numero elevato di lacune (portatori in maggioranza), un numero limitato di elettroni di conduzione e un numero notevole di ioni fissi negativi (atomo trivalente che ha fissato un elettrone). Gli atomi droganti trivalenti prendono il nome di accettatori.

Per chiarire in tutta generalità le caratteristiche dei s. e ricavarne una precisa definizione occorre ricorrere alla teoria delle bande di energia nei solidi.

Nel caso di conduttori le bande di livelli consentiti per gli elettroni hanno la caratteristica che la banda di energia più elevata, magari prodotta dal sovrapporsi di bande che derivano da diversi livelli atomici, nella quale allo zero assoluto vi sono ancora elettroni è solo parzialmente occupata (fig. 4 A). Una tale circostanza fa sì che, applicando un campo elettrico, gli elettroni di questa banda (di conduzione) possono variare la loro energia di quanto è necessario per muoversi nella direzione del campo, giacché vi sono livelli energetici consentiti e non occupati. Il numero di elettroni che si trovano sui varî livelli d'energia è regolato da leggi statistiche che danno la probabilità che ogni particolare livello sia occupato. La statistica appropriata per tale problema è stata sviluppata da E. Fermi. Si definisce una funzione di probabilità per l'occupazione di un dato livello al variare dell'energia: essa, allo zero assoluto, è uno fino a una certa energia e zero per tutte le energie superiori. Il livello più alto occupato viene definito come "livello di Fermi". Al crescere della temperatura non si ha più il brusco passaggio della probabilità di occupazione da 1 a 0 in corrispondenza del livello di Fermi, ma la distribuzione simmetricamente si arrotonda in corrispondenza a questa energia. Vi è una probabilità finita che vi siano dei livelli vuoti anche sotto il livello di Fermi ed una probabilità che vi siano livelli pieni sopra di esso. Il livello di Fermi può allora essere definito come quel livello che ha uguale probabilità di essere pieno o vuoto. Nei conduttori al crescere della temperatura il livello di Fermi non si sposta, ma il confine fra la regione piena e quella vuota diventa sfumato come risultato dell'eccitazione termica. La profondità della zona di passaggio fra la regione piena e quella vuota è proporzionale alla temperatura e, in molti solidi, alla temperatura ordinaria è dell'ordine dell'1% dell'estensione della banda.

Nel caso degli isolanti la banda di livelli occupati di energia più elevata è, allo zero assoluto, completamente piena; la banda superiore (banda di conduzione) è invece completamente vuota ed è separata dalla prima da un intervallo di energia E_g dell'ordine di 6 ÷ 20 e V, detta banda proibita (fig. 4 B). In tal caso la conduzione non è possibile, tranne che quando qualche elettrone riesce a passare dalla banda di valenza a quella di conduzione. Si origina allora una conducibilità per moto di elettroni di conduzione e di lacune nella banda di valenza; negli isolanti, peraltro, eventi di questo genere sono rari, dato il valore elevato di E_g

Nel caso dei s. la situazione è del tutto analoga a quella degli isolanti, con la differenza importantissima che queste sostanze hanno un valore relativamente piccolo di E_g fra qualche decimo e qualche unità di eV. Ciò basta a spiegare il comportamento dei s. intrinseci, nei quali sono sufficienti temperature non molto elevate per provocare il passaggio di elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione e quindi la creazione di coppie elettrone-lacuna. Quanto invece ai s. estrinseci, le imperfezioni presenti, per es. gli atomi droganti, introducono nella banda proibita dei livelli consentiti che si trovano immediatamente al di sotto della banda di conduzione o immediatamente al di sopra di quella di valenza; nel primo caso (fig. 5 A) i livelli agiscono come "donatori" perché elettroni possono passare dal livello dell'impurità alla banda di conduzione, mentre nel secondo caso (fig. 5 B) i livelli agiscono come "accettatori" catturando elettroni dalla banda di valenza. Nel primo caso si hanno s. di tipo n (per es., drogando il Si con As), nel secondo si hanno invece s. di tipo P (per es., drogando il Si con B). Il livello di Fermi che, allo zero assoluto, nel caso dei s. intrinseci giace a mezza strada fra le due bande, nel caso che le impurità presenti siano del solo tipo indicato (cioè solo donatori o solo accettatori) a basse temperature giace fra i livelli donatori e il fondo della banda di conduzione o fra la cima della banda di valenza e i livelli accettatori (fig. 5); al crescere della temperatura esso si muove e per temperature sufficientemente alte tende a portarsi verso il centro della banda proibita.

Aspetti e caratteristiche della conduzione nei semiconduttori. - La conducibilità σ di un s. è data dalla relazione: σ = ∣ e ∣ (nμ_n + pμ_p), dove n è la concentrazione all'equilibrio degli elettroni nella banda di conduzione, p quella delle lacune nella banda di valenza, μ_n e μ_p sono, rispettivamente, la mobilità degli elettroni e quella delle lacune (cioè la velocità che i portatori acquistano quando sono sottoposti a un campo elettrico unitario per unità di lunghezza) ed e è la carica dell'elettrone.

La dipendenza dalla conducibilità della temperatura è, come già accennato, una delle proprietà più caratteristiche dei s. Nella fig. 6 è mostrato il comportamento di un s. estrinseco di tipo n.

La debole conducibilità alle basse temperature è dovuta al fatto che la maggior parte dei livelli donatori è occupata e pochi elettroni sono presenti nella banda di conduzione. Con il crescere della temperatura aumenta la cessione di elettroni da parte dei donatori e con essa aumentano la concentrazione degli elettroni nella banda di conduzione e la conducibilità del materiale. A una certa temperatura T₁ la conducibilità raggiunge un massimo, quando tutti i donatori si sono ionizzati. A temperatura considerevolmente più alta, superiore a un certo valore T₂, comincia un nuovo e più rapido aumento della conducibilità, dovuto al fatto che ora l'energia termica è sufficiente per innalzare un numero apprezzabile di elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione, cioè per determinare la conduzione intrinseca. Il diminuire della conducibilità con l'aumentare della temperatura fra T₁ e T₂, nonostante che la concentrazione dei portatori di cariche sia, costante, è da imputarsi alla diminuzione di mobilità dovuta al fatto che il moto dei portatori di cariche è ostacolato dall'agitazione termica degli atomi costituenti il cristallo (interazione portatori di carica-fonone).

Oltre all'agitazione termica vi sono altri agenti capaci di produrre coppie elettrone-lacuna. Fra questi sono, importantissime, le radiazioni elettromagnetiche. Quando un fotone incidente su un elettrone legato gli impartisce energia sufficiente per strapparlo dal legame, si crea infatti una coppia elettrone-lacuna; la conducibilità che si produce risulta proporzionale al numero di fotoni che, per unità di tempo, colpisce l'unità di superficie del s. Questo effetto, molto importante, ha il nome di fotoconduttività.

La fotoconduttività è sfruttata per la costruzione di cellule fotoconduttive, di dispositivi cioè la cui resistenza elettrica varia con l'illuminamento. La produzione di coppie elettrone-lacuna da parte di radiazioni elettromagnetiche, insieme alle proprietà peculiari delle giunzioni p-n, permette inoltre di costruire dispositivi, detti batterie solari (ingl. solar cells) che convertono energia luminosa in energia elettrica.

Il moto degli elettroni nel cristallo può essere influenzato dall'esterno anche mediante un campo magnetico. Fra i varî effetti galvanomagnetici è particolarmente importante per i s. l'effetto Hall. Com'è noto (vol. XVIII, p. 328), esso consiste nel prodursi, in un cristallo (per es. di forma parallelepipeda) percorso da corrente e immerso in un campo magnetico trasversale, di una differenza di potenziale V, in direzione normale tanto al campo come alla corrente, data da: V = RiB/d, dove R è una costante, caratteristica di ogni materiale (costante di Hall), i è l'intensità della corrente, B è l'induzione magnetica e d è lo spessore del cristallo nella direzione del campo magnetico.

L'effetto può essere spiegato nel modo seguente. La forza di Lorentz, che in conseguenza dell'applicazione del campo magnetico viene ad agire sui portatori di carica, provoca un incurvamento delle traiettorie di questi ultimi, che altrimenti sarebbero state rettilinee. In conseguenza di ciò le cariche vengono spinte sulle facce laterali del campione perpendicolari a B, quelle positive su una, quelle negative sull'altra; il processo va avanti fino al determinarsi di un campo elettrico tale da equilibrare la forza di Lorentz sui portatori. Le traiettorie di questi ultimi ritornano allora rettilinee, mentre una differenza di potenziale (detta di Hall) resta fra le facce del campione normali al campo magnetico applicato.

Per i s. è, in prima approssimazione, R = − 1/ne se la conduzione avviene per elettroni e R = + 1/pe se per lacune.

Il segno di V consente così di distinguere sperimentalmente se un s. è di tipo n o p.

Per es., in una sbarretta di germanio, di resistività 1 ohm • cm, lunga i cm e spessa 0,1 mm, si ha n = 1,7 × 10¹⁵ elettroni/cm³, R = 4 × 10^-3 m³/C e V = 4 mV con un'induzione B di 0,1 Wb/m² se i è 1 mA.

L'effetto Hall trova numerose applicazioni per la misurazione di campi magnetici, per la realizzazione di dispositivi non lineari, ecc.

Il fatto che i portatori di carica non abbiano tutti la stessa velocità fa sì che il campo di Hall compensi la forza di Lorentz solo in media, cosicché in realtà le traiettorie dei portatori troppo veloci o troppo lenti risultano deviate in modi diversi rispetto all'andamento rettilineo. In conseguenza di ciò la resistività del campione risulta diversa da quella che si aveva in assenza di campo magnetico esterno e varia al variare di questo, nel che consiste la cosiddetta magnetoresistenza. Si tratta di un altro effetto galvanomagnetico che è cospicuo per alcuni s. (per es., InSb e InAs); esso varia, in genere, con la direzione cristallografica lungo la quale scorre la corrente elettrica.

Entità ragguardevoli assumono nei s. anche gli effetti termoelettrici.

Così, nei s. intrinseci (per es. nel germanio e nel silicio puri) il coefficiente termoelettrico di Thomson Q che caratterizza l'entità dell'effetto Seebeck (XxxIII, p. 586) è dell'ordine di 1 mV/°K, cioè molto più grande che in qualunque metallo (dell'ordine del μV/°K).

Il coefficiente di Peltier Π, che caratterizza l'entità dell'effetto termoelettrico inverso, è legato a Q dalla relazione di Kelvin: QT = Π, dove T è la temperatura assoluta. Si può dimostrare che per un s. di tipo n vale la relazione: eΠ = eQT = E_F + 2kT, dove E_F è l'energia del livello di Fermi (negativa) misurata a partire dal fondo della banda di conduzione, e è la carica dell'elettrone e k è la costante di Boltzmann; in questo caso Q risulta negativo. Per un s. di tipo p si ha invece eΠ = eQT = E_F + 2kT + E_g; Q risulta ora positivo. Una misura di Q dà quindi direttamente la posizione del livello di Fermi e il segno di Q indica il tipo di semiconduttore.

L'effetto termoelettrico nei s. riceve numerose applicazioni per la conversione di energia termica in energia elettrica, per la realizzazione di refrigeratori elettrici, ecc.

Una caratteristica molto importante della conduzione nei s. è rappresentata dal tempo richiesto per il ristabilirsi delle condizioni d'equilibrio fra portatori in maggioranza e portatori in minoranza quando, per una ragione qualsiasi, tale equilibrio è stato distrutto. Se a un certo istante la concentrazione N dei portatori di carica minoritarî supera, di poco, quella d'equilibrio N₀, il sistema tende a ritornare alle condizioni di equilibrio, mediante ricombinazione di portatori minoritarî in eccesso con portatori maggioritarî, attraverso una legge del tipo: δN = δN₀ e^-t/τ, dove δΝ = N − N₀ all'istante generico t, δN₀ è il valore iniziale di δN, e è la base dei logaritmi naturali e τ è una costante di tempo, detta "tempo di vita", caratteristica del materiale usato.

I varî tipi di semiconduttori. - Generalmente si suole distinguere i s. in: s. di valenza, composti intermetallici, cristalli ionici, s. organici.

a) Semiconduttori di valenza. I più importanti sono alcuni elementi del IV gruppo del sistema periodico e soprattutto il germanio e il silicio. Il drogaggio per avere il tipo di conduzione p o n è in genere fatto con elementi rispettivamente tri- o pentavalenti.

Nella costruzione di dispositivi utilizzanti questi s. (diodi, transistori, fototransistori, ecc.) vengono impiegati dei monocristalli di germanio o di silicio in cui il contenuto delle impurità è tenuto entro limiti molto bassi (circa un atomo su 10⁹ atomi di germanio o di silicio). Ciò richiede ovviamente che il numero di atomi estranei di tipo non controllato sia notevolmente più basso.

L'eliminazione di gran parte delle impurità indesiderate, rimanenti dalla purificazione chimica, si effettua per mezzo di alcuni processi fisici di cui i più usati sono il metodo della cristallizzazione progressiva e il metodo della fusione per zone.

La cristallizzazione progressiva (tecnica di Bridgman) consiste nel far raffreddare lentamente, fino alla solidificazione, una massa fusa del semiconduttore, contenuta in un crogiolo di forma stretta e lunga, iniziando il raffreddamento da una delle estremità e facendolo lentamente progredire verso l'altra. In tal modo l'interfaccia solido-liquido si sposta lentamente (5-10 cm all'ora) e, mentre si forma il lingotto solido, le impurità si concentrano all'una o all'altra estremità a seconda che siano più solubili nella fase solida oppure in quella liquida. Il processo viene ripetuto varie volte asportando le zone terminali del lingotto dopo ogni cristallizzazione fino ad ottenere il risultato desiderato.

Il metodo della fusione per zone (o fusione locale; ingl.: zone refining) è assai più usato in quanto dà un materiale con ottime e uniformi proprietà elettriche. Consiste nel fondere in atmosfera controllata una sottile porzione del lingotto da purificare, posto in un crogiolo di grafite o di quarzo; la zona di fusione viene lentamente spostata da un estremo all'altro del lingotto. A causa della diversa solubilità delle impurità nelle fasi solida e liquida si produce un addensarsi delle impurità alle estremità; ripetendo varie volte l'operazione e asportando le estremità impure si ottiene un lingotto di sufficiente purezza.

Nel caso del silicio, nel quale, a causa dell'alta temperatura di fusione (1420 °C) potrebbero aversi contaminazioni da parte del crogiolo, si ricorre a una tecnica particolare, detta "a zona flottante". Il lingotto viene sospeso verticalmente, sempre facendo scorrere la zona di fusione lungo di esso; la tensione superficiale della zona fusa è in grado di sostenere il lingotto: si elimina così il problema del crogiolo.

Il materiale ottenuto con la purificazione di zona è in genere policristallino. Per ottenere da esso dei monocristalli, quali sono necessarî per talune delle principali applicazioni (per es. per i transistori), si ricorre generalmente al metodo del tiraggio. Secondo la tecnica di Czochralski, un'asta al cui estremo è fissato un piccolo monocristallo (seme) viene lentamente avvicinata al materiale fuso, contenuto in un crogiolo in atmosfera controllata, sino a una parziale immersione del seme in esso; a questo punto l'asta viene ritratta lentamente (2 ÷ 5 cm/ora) e il monocristallo comincia a crescere all'estremità inferiore del seme. L'asta compie anche un movimento di rotazione su sé stessa per mantenere la simmetria termica e la geometria cilindrica.

Per ottenere cristalli di tipo p o n, si pone nel crogiolo, all'inizio dell'operazione, una piccola quantità di sostanza donatrice o accettatrice.

b) Composti intermetallici. Un gruppo importante è formato da composti di elementi del III e V gruppo del sistema periodico. Altri composti possono essere costituiti con elementi del II e IV, o V e VI, o I e V, o II e V gruppo; è possibile formare anche composti ternarî e quaternarî.

I parametri fondamentali dei s. intermetallici presentano un campo di variazione molto più ampio di quello dei s. di valenza; ciò consente una corrispondente varietà di usi. Così, composti per i quali E_g risulta relativamente piccola sono particolarmente adatti alla rivelazione di radiazioni infrarosse; materiali con E_g relativamente grande consentono invece la realizzazione di dispositivi elettronici atti ad operare a temperature molto alte.

Le cause per cui si producono i varî tipi di conducibilità (n o p) nei s. intermetallici non sono ancora del tutto ben comprese. In molti casi si ottiene un dato tipo di conducibilità aggiungendo, come nel caso del Ge e del Si, una piccola quantità d'impurità che sostituisca uno degli atomi del composto nella molecola. Anche la non-stechiometria del composto può influenzare il suo comportamento elettrico.

c) Cristalli ionici. Nei cristalli ionici si può avere conduzione per moto di elettroni se nel cristallo si trovano degli ioni di valenza differente in posizioni equivalenti.

Per es., quando nel NiO uno ione Li⁺ rimpiazza uno ione Ni²⁺, tm altro ione Ni²⁺ diventa Ni³⁺ per mantenere il bilancio di carica la posizione trivalente corrisponde a una lacuna che può muoversi per trasferimento di elettroni dagli ioni bivalenti vicini: la conduzione è quindi di tipo p. Conduzione di tipo n si può avere nel Fe₂O₃ in cui uno ione Ti⁴⁺ rimpiazzi uno ione Fe³⁺; per compensare la carica un altro ione Fe³⁺ è cambiato in Fe²⁺: quest'ultimo ha un elettrone in eccesso che può essere trasferito da ione a ione.

d) Semiconduttori organici. Molti composti organici puri, per es. le ftalocianine, le proteine e l'antracene, presentano proprietà semiconduttrici. Si è anche trovato che irradiando dei polimeri con particelle di alta energia o sottoponendoli a speciali trattamenti termici si ottengono sostanze decisamente semiconduttrici; fra questi materiali sono il poliacrilonitrile e certi polimeri (per es. silicone).

In queste sostanze la conduttività aumenta con la temperatura in modo analogo a quanto accade per i s. inorganici. La conduzione elettronica sembra avvenire lungo gli anelli delle catene organiche; per questo motivo sono favoriti i composti formati da lunghe catene di atomi. La conducibilità è spiegata supponendo che l'eccitazione termica di un elettrone in una molecola fornisca all'elettrone l'energia necessaria per spostarsi susseguentemente attraverso la catena molecolare.

Fenomeni alle giunzioni. - Di notevole importanza, anche dal punto di vista delle applicazioni, sono le barriere di potenziale che si determinano al contatto di un s. con un metallo o con un s. di altro tipo.

Giunzione metallo-semiconduttore. Quando si stabilisce un contatto fra un metallo e un s., poiché le bande di conduzione dei due materiali, in genere, non si trovano allo stesso livello energetico (più esattamente, le funzioni di lavoro dei materiali sono diverse), nella regione vicina al contatto avviene una ridistribuzione di elettroni.

Nel caso del germanio o del silicio, di tipo n, si è trovato che, a causa della presenza di modificazioni elettriche alla superficie di queste sostanze (stati superficiali) si ha sempre un flusso di elettroni che si muove dal s. al metallo. Gli elettroni che abbandonano il s. lasciano dietro di sé ioni positivi non più neutralizzati e creano nel metallo un eccesso di cariche negative; queste cariche danno luogo a un doppio strato in corrispondenza al contatto. Si stabilisce così una barriera di potenziale fra il metallo e il s., tale da impedire un ulteriore flusso di elettroni; solo i pochi elettroni che hanno energia sufficiente a superare la barriera potranno passare nel metallo: essi sono, in condizioni d'equilibrio, in numero uguale a quelli che dal metallo vanno verso il s. Se ora il metallo viene reso positivo rispetto al s. (polarizzazione diretta) la barriera di potenziale viene diminuita e un numero maggiore di elettroni può fluire dal s. al metallo.

Vi sono due tipi di elettroni che possono andare dal s. al metallo: elettroni che si trovano nella banda di conduzione ed elettroni che si trovano nella banda di valenza e che vengono strappati da qualche legame covalente lasciando nel s. un certo numero di lacune. Questo secondo processo equivale all'emissione o "iniezione" di un certo numero di lacune (portatori minoritarî) da parte del metallo.

Nel caso, invece, che il metallo sia reso negativo rispetto al s. (polarizzazione inversa) la barriera viene innalzata e diminuisce il numero degli elettroni che riescono a superarla.

Se il s. è di tipo p i fenomeni sono dello stesso genere, solo che ora si ha passaggio di lacune dal s. al metallo e la polarizzazione diretta si ha quando il metallo è reso negativo rispetto al s.

Questi fenomeni sono sfruttati nei diodi a s., costituiti da un cristallo di germanio o di silicio sul quale è appoggiato un elettrodo metallico. Se il cristallo è s. di tipo n, la corrente passa facilmente soltanto nel senso metallo-s. (quest'ultimo funge da catodo); il contrario avviene se il s. è di tipo p.

L'intensità i della corrente che passa attraverso un diodo del genere è data, per polarizzazioni dirette e inverse non troppo elevate, dalla relazione:

dove e è la carica dell'elettrone, V il potenziale applicato, k la costante di Boltzmann, T la temperatura assoluta della zona del contatto e I₀ è l'intensità della corrente in condizioni di saturazione.

La fig. 7 mostra la caratteristica sperimentale corrente-tensione di un diodo a s. Si vede come, per tensioni negative sufficientemente elevate, la corrente cresce rapidamente e può continuare ad aumentare anche se successivamente si riduce la tensione. La tensione a cui si manifesta questo fenomeno si chiama "tensione di svolta"; il fenomeno stesso è dovuto al riscaldamento della regione di contatto e al conseguente aumento del tasso di produzione delle coppie elettrone-lacuna.

Giunzione pn. Una "giunzione pn" è una zona intermedia fra una regione di tipo p e una di tipo n in uno stesso cristallo s.

In genere le concentrazioni degli accettatori e dei donatori non cambiano bruscamente alla giunzione, ma vi è uno strato intermedio nel passaggio da una regione all'altra.

Per illustrare con semplicità lo stato delle cose s'immagini di porre a contatto due regioni n e p; gli elettroni della regione n tendono a diffondere nella regione p e le lacune dalla regione p tendono a diffondere nella regione n. I portatori di cariche in parte si ricombinano fra loro nella zona di giunzione. Le cariche dei centri d'impurità ionizzati non sono più neutralizzate, in questa regione, da quelle dei portatori mobili e quindi costituiscono un doppio strato la cui differenza di potenziale finisce con l'opporsi al passaggio di ulteriori elettroni nella regione p e di lacune nella regione n (fig. 8 A). Nonostante la presenza della barriera un certo numero di elettroni passa dalla regione n alla regione p per agitazione termica; questo numero è uguale a quello degli elettroni creati termicamente nella regione p e che da questa diffondono nella regione n. Gli stessi ragionamenti si applicano alle lacune dalla regione p a quella n e viceversa.

Nella polarizzazione diretta si applica alla regione p un potenziale positivo, cosicché la barriera di potenziale è diminuita (fig. 8 B) e quindi una corrente di lacune relativamente alta fluisce attraverso essa nella regione n; nello stesso tempo gli elettroni trovano ora minore difficoltà a fluire dalla regione n nella regione p. I portatori minoritarî passano come prima da una regione all'altra, dando un contributo esiguo dato il loro piccolo numero.

Nella polarizzazione inversa viene applicato un potenziale negativo alla regione p, in modo che il gradino di potenziale è innalzato (fig. 8 C) e il moto dei portatori di carica maggioritarî (elettroni della regione n e lacune della regione p) attraverso la giunzione viene pressoché totalmente impedito. La corrente dei portatori minoritarî (lacune della regione n ed elettroni della regione p), che è determinata dalla produzione termica, è invece praticamente invariata rispetto alla situazione esistente all'equilibrio. La corrente inversa mostra quindi una saturazione per tensioni inverse non troppo elevate, quando la barriera è così alta da non far passare praticamente più portatori maggioritarî ma solo i portatori minoritarî che sono creati ad un tasso fisso che dipende dalla temperatura della giunzione.

A tensioni inverse molto alte si ha anche in questo caso un rapido aumento della corrente, che in breve determina la rottura del diodo. La ragione di ciò è dovuta a due effetti distinti.

Quando il campo elettrico diventa molto intenso alla giunzione, si produce un'emissione di campo dentro al s., per cui un gran numero di elettroni passa dalla banda di valenza a quella di conduzione; si produce quindi una corrente molto intensa che causa la rottura del diodo. È questo l'effetto Zener. Dispositivi che sfruttano questo effetto (diodi Zener) sono usati, per es., per stabilizzare tensioni di non alto valore.

L'altro effetto (effetto valanga) consiste nel fatto che gli elettroni e le lacune nel cristallo possono venire accelerati dal campo elettrico fino a produrre per urto dei portatori secondarî, cioè delle nuove coppie elettrone-lacuna, con conseguente, rapido aumento della corrente. Questo effetto è sfruttato per costruire diodi con tempi di commutazione brevissimi.

Effetto dell'iniezione di portatori di carica minoritarî. - l'iniezione di portatori di carica minoritarî in un s. può verificarsi anche nel caso di una giunzione. Vogliamo chiarire l'importante differenza fra l'ingresso, in un dato tipo di s., di portatori maggioritarî e l'iniezione di portatori minoritarî.

Per fissare le idee supponiamo di avere un blocco di germanio di tipo n su cui poggi una punta metallica polarizzata in senso diretto (oppure, si può considerare una giunzione polarizzata nel senso diretto); un altro contatto elettrico (ohmico) sia stabilito, mediante un elettrodo, sul materiale n.

Se dalla punta (o attraverso la giunzione) s'introducono portatori maggioritarî (in questo caso, elettroni), si crea una carica spaziale e istantaneamente un campo elettrico che muove contemporaneamente tutti i portatori di carica fra i due contatti facendo sì che vengano estratti degli elettroni dal s. in corrispondenza all'elettrodo: la densità dei portatori di carica nel s. è ovunque quella che si aveva prima della perturbazione.

Se, invece, s'introducono dalla punta (o dalla giunzione) dei portatori minoritarî (in questo caso, lacune), si ha ancora una carica spaziale per neutralizzare la quale si determina un flusso di cariche maggioritarie (in questo caso, elettroni) dall'altro elettrodo nel s. Si raggiunge uno stato, differente da quello dell'equilibrio termico, nel quale la densità dei portatori presenti è maggiore di quella che si aveva prima della perturbazione: di conseguenza è aumentata la conducibilità del materiale. Mediante l'iniezione dei portatori minoritarî è quindi possibile controllare la conducibilità del s., pur essendo questa determinata essenzialmente dai portatori maggioritarî. Questo effetto ha grande importanza nel funzionamento di numerosi dispositivi, tra cui, importantissimi, i transistori (v., in questa App.).

Bibl.: W. Schocley, Electrons and holes in semiconductors, New York 1950; C. Kittel, Introduction to solid state physics, ivi 1956; N. B. Hannay, Semiconductors, ivi 1959; R. A. Smith, Semiconductors, Cambridge 1959.