SEMICONDUTTORI

SEMICONDUTTORI (App. III, 11, p. 692)

Portatori caldi e oscillazioni di Gunn. - Deviazioni dalla linearità nella relazione corrente-tensione si presentano nei s. in varie circostanze. In particolare, ad alti valori del campo applicato la mobilità dei portatori viene a dipendere dal campo, con saturazione della velocità di deriva v_d per campi dell'ordine di 10⁴ V/cm. Questo effetto è dovuto alla crescente inabilità dei portatori a dissipare tutta l'energia ricevuta dal campo durante il loro moto: la loro energia media aumenta al di sopra del valore termico corrispondente alla temperatura del cristallo ("portatori caldi"), con una diminuzione del tempo di rilassamento che regola la mobilità.

Mentre questo comportamento è comune, nell'arseniuro di gallio di tipo n si ha un fenomeno di conducibilità differenziale negativa (ndc, negative differential conductivity), cioè una regione in cui v_d diminuisce al crescere del campo (fig. 1). Ne è causa la forma particolare della banda di conduzione, che presenta due tipi di minimo in cui la massa dei portatori è molto diversa (fig. 2). La corrente a bassi campi è determinata dall'alta mobilità dei portatori nel minimo centrale, ma ad alti campi i portatori caldi possono essere trasferiti da collisioni contro fononi ai minimi laterali, con un forte calo di mobilità.

Un punto di operazione in regime di ndc è, tuttavia, instabile: il campo diventa non omogeneo, prendendo valori diversi (E₁, E₂ in fig. 1) su regioni diverse del campione. Un dominio di alto campo E₂, nucleato presso il catodo, viaggia con i portatori verso l'anodo in continua crescita, e il fenomeno si ripete con frequenza ν = v_d/L (L, lunghezza del campione). Con v_d ≈ 10⁷ cm/sec e L ≈ 0,1 mm, si ha ν ≈ 1 GHz, nella regione delle microonde. Il fenomeno ha trovato applicazioni in dispositivi (diodi Gunn) per la generazione di microonde da una corrente continua.

Diodo tunnel. - Un'altra possibile causa per una conducibilità differenziale negativa è una diminuzione nel numero di portatori al crescere della tensione. Questa situazione si realizza in giunzioni p-n ad alti livelli di drogaggio. Va premesso che ad alto drogaggio (superiore a 10¹⁷ impurezze per cm³) gli stati d'impurezza si allargano a formare un continuo con la rispettiva banda di valenza o di conduzione, portando a una resistività che è relativamente bassa e poco dipendente dalla temperatura (stato pseudometallico, o di degenerazione dei portatori). Lo schema di una giunzione p-n degenere, all'equilibrio e per valori crescenti di polarizzazione diretta, è illustrato in fig. 3. Il tunnel di elettroni dal lato n al lato p avviene per valori della tensione quali illustrati in fig. 3B, ma cessa a tensioni maggiori quando gli spigoli di banda ai lati opposti della giunzione sono circa allineati (fig. 3C). La caratteristica corrente-tensione è illustrata in fig. 4.

L'analisi della struttura fine della caratteristica permette la spettroscopia di fononi nei s. "a gap indiretta" (in cui il massimo della banda di valenza e il minimo della banda di conduzione non hanno lo stesso numero d'onda) poiché in tal caso si hanno processi tunnel con l'intervento di fononi per la conservazione dell'impuslo. Un diodo tunnel polarizzato in ndc può essere impiegato come amplificatore o come oscillatore nella regione delle microonde.

Laser a semiconduttore. - Come indicato nella fig. 3D, ad alti valori di polarizzazione diretta si ha nella giunzione una zona di sovrapposizione fra gli elettroni in banda di conduzione dal lato n e le lacune in banda di valenza dal lato p. Processi di ricombinazione tra elettroni e lacune avvengono in tal zona con emissione di radiazione (luminescenza). Si ha in effetti localmente una situazione d'inversione nella popolazione di livelli, necessaria perché l'emissione stimolata di radiazione porti ad amplificazione quantica (v. laser, in questa Appendice).

Condensazione di eccitoni. - La ricombinazione radiativa di elettroni e lacune è inibita nei s. a gap indiretta per conservazione dell'impulso, che richiede l'intervento di fononi o di impurezze. In un s. con tale caratteristica (in particolare nel germanio) si possono facilmente creare forti concentrazioni di elettroni e lacune per irradiazione ad alta intensità, e si osservano fenomeni associati a una transizione di tipo gas-liquido in cui elettroni e lacune condensano in "gocce", circondate da un gas dielettrico di eccitoni (quasi-molecole formate da un elettrone e una lacuna in uno stato legato). Evidenza diretta di questo stato condensato è fornita, per es., dalla diffusione di radiazione da parte della "nebbia" di goccioline. Il tempo di ricombinazione è in effetti abbastanza lungo (alcuni microsecondi) da permettere il raggiungimento di uno stato di equilibrio termodinamico e lo studio di una serie di proprietà termodinamiche proprie di liquidi convenzionali, fra cui un'equazione di stato e un punto critico liquido-gas.

Semiconduttori amorfi e vetrosi. - Grande interesse in questi sistemi, che è parte di uno sforzo più in generale teso alla comprensione dei solidi fortemente disordinati, è stato suscitato dall'osservazione di comportamenti notevoli nelle proprietà di trasporto elettrico, con possibilità applicative. Per es., si mostra in fig. 5 la caratteristica corrente-tensione per un s. vetroso a calcogenuro (tipo As₂Se₃, e altri). Si ha alla tensione V_t un fenomeno di frattura dielettrica, a seguito della formazione di un filamento conduttore, che porta il campione, in tempi inferiori al nanosecondo, a uno stato di alta conduzione; da questo, diminuendo la corrente, il campione torna allo stato originale di alta resistività. La possibilità di stabilizzare lo stato di alta conduzione permettendo la cristallizzazione del filamento, e di distruggerlo per fusione e rivetrificazione del filamento medesimo mediante un impulso di corrente, dà al campione un comportamento da elemento di memoria.

La natura dello stato di alta resistività in un solido vetroso è d'interesse fondamentale. L'esistenza di una banda di energie proibite tra la banda di valenza e quella di conduzione, a cui si attribuisce la natura isolante di un s. cristallino ideale, dipende dall'ordine cristallino, ed è pensabile che in solidi fortemente disordinati gli stati elettronici permessi formino un continuo tra le due bande. Per spiegare la natura isolante di tale sistema, è stato invocato il concetto di mobility gas: in sostanza, gli elettroni in tali stati sarebbero intrappolati in zone di forte disordine e quindi incapaci di condurre corrente continua in assenza di attivazione termica. D'altra parte, l'assorbimento ottico non sembra influenzato dalla presenza di tali stati (si pensi alla trasparenza del vetro).

Per i vantaggi di dimensione e di costo rispetto a cristalli singoli, si prevedono applicazioni importanti dei s. amorfi nel campo dei dispositivi elettronici ad ampia area per conversione dell'energia solare, rivelazione di radiazione, display, ecc.

Bibl.: S. M. Sze, Physics of semicondutor devices, New York 1969; N. F. Mott, E. A. Davis, Electronic processes in non-crystalline materials, Oxford 1971; K. Seeger, Semiconductor physics, New York 1973.