Portatori di carica nei semiconduttori: come circola l’elettricità

La generazione dei portatori di carica nei materiali semiconduttori è un processo importante per lo sviluppo dell’elettronica moderna. È il processo attraverso il quale elettroni e lacune vengono generati in un materiale semiconduttore, consentendo il flusso di corrente.

Questo processo è essenziale per il funzionamento di transistor, diodi e altri componenti elettronici. La generazione dei portatori di carica è importante anche per lo sviluppo delle celle solari, poiché consente la conversione dell’energia luminosa in energia elettrica.

Inoltre, la generazione dei portatori di carica è essenziale per lo sviluppo dei dispositivi optoelettronici, come i diodi a emissione di luce e i diodi laser. In conclusione, la generazione dei portatori di carica nei materiali semiconduttori è un processo essenziale per lo sviluppo dell’elettronica moderna e dei dispositivi optoelettronici.

Struttura a bande di energia

I semiconduttori sono materiali cristallini i cui livelli atomici del guscio esterno presentano una struttura a bande di energia, costituita da una banda di valenza, un gap di energia “proibito” e una banda di conduzione.

Le bande di energia sono regioni costituite da numerosi livelli discreti così vicini tra loro da poter essere considerati un continuo, mentre il gap di energia “proibito” è una regione in cui non è disponibile alcun livello energetico.

Poiché il principio di esclusione di Pauli vieta la presenza di più di un elettrone nello stesso stato, la degenerazione dei livelli energetici del guscio atomico esterno si rompe, formando numerosi livelli discreti separati tra loro solo di poco. Poiché due elettroni con spin opposto possono occupare lo stesso livello, il numero di livelli è pari al numero di coppie di elettroni presenti nel cristallo. Questa rottura della degenerazione non riguarda tuttavia i livelli atomici interni, che sono legati più fortemente.

La banda di energia più alta è la banda di conduzione. Gli elettroni in questa regione sono distaccati dai rispettivi atomi di origine e sono liberi di muoversi nell’intero cristallo. Gli elettroni nei livelli della banda di valenza, invece, sono legati più fortemente e restano associati ai rispettivi atomi del reticolo.

La larghezza del gap e delle bande è determinata dalla spaziatura reticolare tra gli atomi. Questi parametri dipendono quindi dalla temperatura e dalla pressione. Nei conduttori il gap di energia è inesistente, mentre negli isolanti il gap è ampio.

A temperature normali, gli elettroni in un isolante si trovano normalmente tutti nella banda di valenza, poiché l’energia termica non è sufficiente a eccitarli oltre questo gap. Quando viene applicato un campo elettrico esterno, quindi, non si verifica alcun movimento di elettroni nel cristallo e non scorre corrente. In un conduttore, invece, l’assenza di un gap rende molto facile per gli elettroni eccitati termicamente saltare nella banda di conduzione, dove sono liberi di muoversi nel cristallo. In questo caso una corrente scorre quando viene applicato un campo elettrico.

In un semiconduttore, il gap di energia ha una dimensione intermedia, tale per cui solo pochi elettroni vengono eccitati nella banda di conduzione dall’energia termica. Quando viene applicato un campo elettrico, quindi, si osserva una piccola corrente. Se il semiconduttore viene raffreddato, tuttavia, quasi tutti gli elettroni ricadono nella banda di valenza e la conducibilità del semiconduttore diminuisce.

I portatori di carica nei semiconduttori

I portatori di carica nei semiconduttori sono particelle che trasportano la carica elettrica attraverso un materiale semiconduttore. Queste particelle sono responsabili delle proprietà elettriche dei semiconduttori, come la loro capacità di condurre elettricità. I portatori di carica possono essere elettroni o lacune, in funzione del tipo di materiale semiconduttore.

Gli elettroni sono il tipo più comune di portatore di carica nei semiconduttori. Sono particelle con carica negativa che si trovano al livello energetico più esterno dell’atomo.

Le lacune sono l’altro tipo di portatore di carica nei semiconduttori. Sono particelle con carica positiva che si trovano nel livello energetico più interno dell’atomo. Le lacune si creano quando gli elettroni si spostano da un atomo a un altro, lasciando una “lacuna” nel livello energetico dell’atomo. Le lacune sono responsabili di una minoranza della conduzione elettrica nei semiconduttori.

Quando un campo elettrico viene applicato a un semiconduttore, lacune ed elettroni sono costretti a muoversi da un atomo all’altro, generando una corrente elettrica.

A 0 K, nello stato di energia più basso del semiconduttore, tutti gli elettroni della banda di valenza partecipano ai legami covalenti tra gli atomi del reticolo.

A temperature normali, tuttavia, l’energia termica può eccitare un elettrone di valenza portandolo nella banda di conduzione, lasciando una lacuna nella sua posizione originaria. In questo stato, è facile per un elettrone di valenza vicino saltare dal proprio legame per riempire la lacuna. Questo lascia a sua volta una lacuna nella posizione vicina. Se l’elettrone vicino successivo ripete la sequenza, la lacuna sembra spostarsi attraverso il cristallo. Poiché la lacuna è positiva rispetto al mare di elettroni negativi della banda di valenza, la lacuna si comporta come un portatore di carica positivo, e il suo movimento nel cristallo costituisce anch’esso una corrente elettrica.

In un semiconduttore, la corrente elettrica ha quindi origine da due fonti: il movimento degli elettroni liberi nella banda di conduzione e il movimento delle lacune nella banda di valenza. Ciò si contrappone a un metallo, dove la corrente è trasportata solo dagli elettroni.

L’energia necessaria per creare i portatori di carica nei semiconduttori

L’energia W necessaria per creare una coppia elettrone-lacuna in un semiconduttore mediante una particella carica massiva che attraversa il mezzo dipende dall’energia di band gap E_g del materiale e quindi, seppur in misura minima, dalla temperatura.

Le misure di questa grandezza mostrano una dipendenza quasi lineare dall’energia di band gap, e l’adattamento lineare ai dati ottenuti per diversi materiali fornisce [1]

L’energia per la generazione dei portatori di carica è sempre superiore all’energia di band gap, a causa della possibile eccitazione aggiuntiva di stati fononici e plasmonici. L’eccitazione dei fononi trasferisce energia al reticolo, ed energia trasferita si manifesta infine come calore nel rivelatore.

L’energia media W necessaria per creare una coppia elettrone-lacuna è stata calcolata e misurata in esperimenti che includono particelle cariche di alta energia e fotoni X [1,2]. L’energia media W necessaria per creare una coppia elettrone-lacuna nel silicio è W ≈ 3,68 eV.

Bibliografia

1. R.C.Alig, S.Bloom, C.W.Struck, Scattering by Ionization and Phonon Emission In Semiconductors, Phys. Rev. B, Vol.22, No.12, (1980), pp.5565-5582.
2. G.W.Fraser et al., The X-ray Energy Response of Silicon, Nucl. Instr. and Meth., A 350, (1994), pp.368-378.
3. A. Major “Interaction of radiation with matter: from the theory to the measurements”

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