semiconduttóre

Definizione

agg. e sm. [semi-+conduttore]. Materiale la cui conduttività elettrica ha valore intermedio fra quella dei conduttori e quella degli isolanti. La conduttività dei semiconduttori cresce con la temperatura (cioè il coefficiente di temperatura della resistività è negativo) nel campo di temperatura di normale interesse, cresce con l'illuminazione del materiale ed è modificabile anche di vari ordini di grandezza variando opportunamente la concentrazione di impurezze chimiche presenti nel materiale. Alcuni materiali semiconduttori – in un primo tempo il germanio, subito dopo il silicio e per alcune importanti applicazioni, l'arseniuro di gallio – sono i protagonisti di sviluppi tecnologici d'avanguardia. Essi costituiscono i microscopici circuiti incisi su piastrine (chip): microprocessori, memorie a semiconduttori, amplificatorielettroottici, circuiti integrati a microonde, laser a semiconduttori ecc. Altro campo potenzialmente importante è la conversione fotovoltaica per la produzione di energia elettrica.

Cenni storici: sviluppo delle ricerche

Una delle prime osservazioni sperimentali sulle caratteristiche dei materiali semiconduttori può essere attribuita a M. Faraday che nel 1833 trovò che il solfuro di argento presenta un coefficiente di temperatura della resistività negativo, a differenza dei conduttori usuali, nei quali la resistività aumenta con la temperatura. Nel 1839 A. E. Becquerel rese note le sue scoperte sull'effetto fotovoltaico; nel 1873 W. Smith mostrò che la resistenza del selenio poteva essere ridotta illuminando il materiale. Successivamente F. Braun rilevò che la resistenza dei contatti del tipo metallo-galena, o metallo-pirite, dipende dalla grandezza e dal segno della tensione applicata; A. Schuster fece osservazioni analoghe per i contatti fra un conduttore di rameossidato e uno non ossidato. La prima fotocella al selenio fu costruita da W. G. Adams e R. E. Day nel 1876 e il primo raddrizzatore al selenio può essere attribuito a C. E. Fritts che lo costruì nel 1883. Nel 1879 E. H. Hall scoprì nei metalli l'effetto che porta il suo nome; la scoperta ebbe una grande importanza per lo studio del meccanismo della conduzione nei solidi e, quando esso venne applicato a materiali semiconduttori, negli anni Trenta apparvero significative differenze rispetto a quanto si era fino allora osservato con i metalli: in particolare alcuni materiali semiconduttori si comportavano come se la corrente fosse portata da cariche positive anziché negative (elettroni liberi) come nei metalli. In ogni caso il numero dei portatori di carica (responsabili del flusso di corrente elettrica all'interno dei materiali) per unità di volume risultava molto inferiore nei semiconduttori che nei metalli e aumentava rapidamente con la temperatura, mentre nei metalli tale numero è praticamente costante e generalmente pari a un elettrone per atomo. Due elementi semiconduttori, il silicio e il germanio, vennero studiati in modo approfondito presso i Bell Telephone Laboratories e la Purdue University; gli sforzi si concentrarono sul germanio per il suo più basso punto di fusione e dopo un decennio di ricerche per la purificazione di questo materiale e innumerevoli esperienze, J. Bardeen e W. H. Brattain riuscirono a realizzare il primo transistor nel 1947. Il loro lavoro fu presto seguito dall'ipotesi che dei portatori di carica di segno opposto a quelli caratterizzanti il materiale potessero essere iniettati nel germanio e trasferiti da un elettrodo all'altro. Questo concetto fu sottolineato in un lavoro di W. Shockley, G. L. Pearson e J. R. Haynes, pubblicato nel 1949. La maggior parte delle possibilità dei semiconduttori vennero delineate esplicitamente o implicitamente nella sintesi della teoria del dispositivo pubblicata da Shockley nello stesso periodo. Gli sviluppi dei materiali semiconduttori si sono indirizzati a migliorarne le prestazioni, in particolare la velocità di commutazione, parametro essenziale dei circuiti logici basati su due stati (due livelli di tensione). Si è ricercato inoltre l'ampliamento delle possibilità di applicazione, in particolare in rapporto all'emissione e all'assorbimento della radiazione elettromagnetica; in vista di questo obiettivo si è sintetizzato negli anni Cinquanta l'arseniuro di gallio che è il costituente dei LED e dei laser a semiconduttori (per esempio dei compact disc). Si sono infine raffinate le tecniche di fabbricazione (essenzialmente la tecnologia planare); ciò ha permesso la costruzione industriale di chip con milioni di transistor e, a livello di laboratorio, di chip con un milione di microlaser. Successivamente si è cominciato a studiare dispositivi a semiconduttori “quantici” che utilizzano sottilissime pellicole di atomi (strati mono- o biatomici rispetto agli strati più sottili tradizionali costituiti da 3-400 piani atomici). A questi livelli gli effetti quantici cominciano a dominare sui comportamenti “classici” della fisica dello stato solido. In particolare è possibile influire sulle caratteristiche delle bande con potenziali vantaggi di miniaturizzazione e velocità. Le ricerche – oltre che al germanio, al silicio e all'arseniuro di gallio – si rivolgono anche ad altri materiali base e in particolare al diamante che, in presenza di impurezze, è semiconduttore.

Tecnica: semiconduttori semplici e semiconduttori composti

Fra i materiali che presentano proprietà semiconduttrici si citano il silicio, il germanio, l'antimoniuro d'indio, l'arseniuro di gallio e inoltre elementi delle terre rare e loro composti. Ai semiconduttori semplici, cioè costituiti da una sola specie di atomi, appartengono quindi elementi del IV gruppo del sistema periodico, mentre i semiconduttori composti sono normalmente formati da combinazioni di elementi del III e del V gruppo, oppure del II e del VI gruppo. Il reticolo cristallino del silicio è l'elemento semiconduttore più conosciuto e utilizzato. Ogni atomo di silicio spartisce i suoi quattro elettroni di valenza con i quattro atomi adiacenti; si formano così delle regioni con densità elettronica relativamente elevata (due elettroni di valenza per ciascuna regione) che collegano fra loro i vari atomi del cristallo e costituiscono i cosiddetti legami covalenti. Il reticolo cristallino può essere rappresentato mediante un modello bidimensionale in cui i cerchietti rappresentano gli atomi di silicio privati dei quattro elettroni di valenza e quindi contengono una carica elettrica positiva pari a quattro volte quella dell'elettrone. Alla temperatura dello zero assoluto gli elettroni di valenza, impegnati nei legami covalenti, non possono ricevere energia per effetto dell'agitazione termica; pertanto, se non ricevono energia dall'esterno, non possono uscire dalle regioni loro assegnate, corrispondenti ai valori più bassi di energia potenziale. Allo zero assoluto il silicio (come ogni altro semiconduttore) si comporta quindi da isolante. La situazione cambia a temperature notevolmente superiori, per esempio a temperatura ambiente, perché la condizione di equilibrio delle regioni che formano i legami covalenti può essere distrutta per effetto dell'agitazione termica: infatti qualcuno degli elettroni che formano i legami covalenti può acquisire energia sufficiente per evadere dalla regione originaria e muoversi liberamente anche nelle altre regioni del reticolo. Si può cioè “spezzare” qualcuno dei legami covalenti. La distruzione di un legame covalente dà origine a due processi distinti: l'elettrone che ha acquisito energia sufficiente per spezzare il legame covalente si muove liberamente attraverso il reticolo cristallino; il legame spezzato può essere ripristinato da parte di un elettrone di valenza impegnato in un altro legame con uno degli atomi adiacenti; questo elettrone neutralizza un atomo temporaneamente privato di un elettrone, ma nello stesso tempo lascia dietro di sé una nuova vacanza di elettrone, ossia una lacuna (o buco). Mentre il primo processo è simile a quello che è responsabile dei fenomeni di conduzione nei metalli, il secondo rappresenta un movimento elettronico di tipo diverso che ha come effetto lo spostamento di una lacuna da un atomo all'altro. Si può quindi pensare che la distruzione di un legame covalente comporti la liberazione simultanea di due portatori di carica di segno opposto: un elettrone (portatore negativo) e una lacuna (portatore positivo).

Tecnica: il comportamento dell'elettrone e della lacuna

Per effetto dell'agitazione termica l'elettrone e la lacuna si muoveranno disordinatamente entro il reticolo cristallino e subiranno urti casuali di vario genere. Tali urti possono però essere interpretati come vere e proprie collisioni solo per quanto riguarda gli elettroni; nel caso delle lacune invece gli urti rappresentano solo un artificio per interpretare in modo semplice i bruschi spostamenti della vacanza di elettrone determinati dalla fluttuazione casuale degli elettroni che spezzando il loro legame covalente possono ripristinare quello di un atomo adiacente. Nel loro moto casuale entro il cristallo un elettrone libero e una lacuna possono avvicinarsi tanto da interagire tra loro; in questo caso, se sono soddisfatte particolari condizioni, elettrone e lacuna possono neutralizzarsi rispettivamente (ricombinazione). Dal punto di vista fisico il fenomeno della ricombinazione consiste nel ripristino di un legame covalente da parte di un elettrone libero, anziché da parte di un elettrone di valenza appartenente a un legame adiacente. Sotto l'azione di un campo elettrico applicato dall'esterno, elettroni liberi e lacune assumono movimenti di insieme di senso opposto: gli elettroni liberi acquistano una componente di velocità di senso opposto al campo elettrico, le lacune una componente di velocità di senso concorde al campo stesso.

Tecnica: l'influenza del campo elettrico

L'influenza del campo elettrico sul moto casuale dei portatori di carica può essere descritta assegnando a ciascuno dei due tipi di portatori una velocità media di trascinamento proporzionale al campo elettrico applicato, e determinata sia dalle accelerazioni subite da ciascun portatore tra i successivi urti, sia dall'effetto dispersivo di questi ultimi. Per gli elettroni liberi e per le lacune valgono quindi le relazioni

dove v_n e v_p sono rispettivamente le velocità medie di trascinamento degli elettroni e delle lacune, E il campo elettrico, μ e μ rispettivamente le mobilità degli elettroni e delle lacune. La mobilità di un portatore di carica dipende dalla temperatura, dalla presenza di imperfezioni reticolari e dal tipo di materiale; è invece indipendente dall'intensità del campo elettrico fino a che questo non assume valori così alti da incrementare in modo non trascurabile la velocità che il portatore possiede per effetto della sola agitazione termica (velocità termica). Infatti in queste condizioni i portatori di carica possono diventare più caldi del reticolo in cui si muovono, nel senso che possono avere velocità termiche che, in condizioni di equilibrio, corrisponderebbero a temperature superiori; poiché i portatori caldi rispetto al reticolo in cui si muovono devono cedere a quest'ultimo parte dell'energia acquistata per effetto del campo elettrico, si osserva una diminuzione della mobilità al di sopra di un certo valore del campo elettrico. Per quanto si è detto precedentemente, la corrente elettrica in un semiconduttore è data dalla risultante di un flusso di cariche negative (gli elettroni liberi) e di un flusso simultaneo in senso opposto di cariche positive (le lacune). La densità di corrente può essere pertanto espressa dalla relazione

n e p rappresentano rispettivamente il numero di elettroni liberi e il numero di lacune per unità di volume; e è la carica dell'elettrone, pari a 1,6×10^-19 coulomb. Nel caso di un semiconduttore puro o intrinseco, finora considerato, la conduttività è dovuta alla liberazione simultanea di elettroni e lacune in seguito alla distruzione di legami covalenti e pertanto risulta: n=p=n_i (concentrazione intrinseca). La rottura di un legame covalente è un fenomeno relativamente raro nei semiconduttori intrinseci perché richiede un'energia dell'ordine dell'elettronvolt assai maggiore di quella pertinente all'agitazione termica a temperatura ambiente.

Tecnica: la drogatura dei semiconduttori

Esistono però mezzi per aumentare la concentrazione di portatori di carica all'interno di un semiconduttore attraverso l'introduzione controllata di opportune impurezze, cioè attraverso la cosiddetta drogatura. Gli atomi di impurezza (atomi droganti) che vanno a sostituire nel reticolo cristallino gli atomi del semiconduttore devono avere caratteristiche chimico-fisiche tali da non introdurre perturbazioni gravi nel reticolo cristallino del materiale di base. Per i semiconduttori tetravalenti, come il silicio, possono essere usati come droganti elementi pentavalenti (arsenico, fosforo, antimonio) o trivalenti (boro, gallio, indio, alluminio). La situazione nel caso di un campione di silicio drogato con fosforo può essere schematizzata come in figura. Mentre ogni atomo di silicio esaurisce i propri quattro elettroni di valenza per formare legami covalenti con i quattro atomi adiacenti, l'atomo di fosforo (con cinque elettroni di valenza), dopo essersi legato con i quattro atomi di silicio a esso adiacenti, si trova con un elettrone di valenza in eccesso. Poiché questo elettrone è legato molto debolmente all'atomo di fosforo, basta un piccolo incremento di energia per spezzare ogni vincolo e farlo diventare un elettrone libero. Per questa loro caratteristica di donare al reticolo elettroni in eccesso, gli atomi droganti che hanno più elettroni di valenza di quanto necessario per la formazione di legami covalenti sono detti donatori. L'aumento della concentrazione degli elettroni liberi rispetto al valore corrispondente, per quella temperatura, alla concentrazione intrinseca rende più probabile l'incontro delle lacune, con gli elettroni liberi; la concentrazione di lacune risulta pertanto inferiore a quella che si avrebbe nel semiconduttore intrinseco. Di conseguenza la presenza di donatori (anche in quantità minime, dell'ordine di un atomo su un milione di atomi del semiconduttore di base) dà luogo a una conduttività dovuta quasi interamente agli elettroni liberi (conduttività di tipo n). Dato che l'energia richiesta per svincolare l'elettrone in eccesso dall'atomo drogante è molto piccola e inferiore a quella pertinente all'agitazione termica a temperatura ambiente, quasi tutti i donatori si trovano privati di un elettrone alle normali temperature di funzionamento e la concentrazione di elettroni liberi risulta praticamente eguale a quella n_D dei donatori.

Tecnica: semiconduttori di tipo n

Nei semiconduttori di tipo n la densità di corrente J è quindi espressa approssimativamente dalla relazione J=n. Gli elettroni liberi costituiscono in questo caso i portatori di maggioranza; le lacune i portatori di minoranza. La situazione che si verifica in un cristallo di silicio quando un atomo di un elemento trivalente (per esempio boro) va a sostituire uno degli atomi dell'elemento di base è tale che l'atomo di boro non ha abbastanza elettroni per completare i quattro legami covalenti e quindi, se l'agitazione termica porta in condizioni favorevoli un elettrone di valenza appartenente a un atomo vicino, l'atomo di boro lo cattura completando i suoi legami con gli altri atomi e facendo nascere una lacuna che si sposta poi da un atomo all'altro in maniera casuale. Gli atomi droganti che hanno disposizione a catturare elettroni degli atomi vicini dando così luogo alla nascita di lacune, sono detti accettori. A loro volta i semiconduttori che contengono accettori sono detti di tipo p perché i portatori di maggioranza (in questo caso lacune) sono positivi.

Tecnica: semiconduttori di tipo p

Anche nel caso dei semiconduttori di tipo p si può ritenere che la conduzione elettrica sia determinata essenzialmente da un solo tipo di portatore (in questo caso lacune) e che la concentrazione di tale portatore sia praticamente eguale, nelle normali condizioni di temperatura, a quella n_A degli atomi accettori. Nei semiconduttori di tipo p la densità di corrente J è quindi espressa approssimativamente dalla relazione

In generale nei semiconduttori drogati la concentrazione dei portatori è determinata, alle temperature normali, o più basse, dalla concentrazione di impurezze (conduttività estrinseca); alle alte temperature diventa invece determinante il contributo dato dalla rottura di legami covalenti. Poiché il numero di questi legami è dello stesso ordine di quello degli atomi del semiconduttore di base ed è quindi enormemente superiore al numero degli atomi droganti, al crescere della temperatura la conduttività intrinseca finisce col prevalere sulla conduttività estrinseca. Per quanto riguarda la mobilità dei portatori, si osserva che al crescere della temperatura, partendo dallo zero assoluto, essa aumenta fino a un massimo tanto maggiore quanto minore è la concentrazione di droganti e successivamente diminuisce tendendo asintoticamente verso il valore di mobilità caratteristico del meccanismo intrinseco. Questo andamento si può spiegare considerando che alle basse temperature il cammino libero medio dei portatori, e quindi la mobilità, è limitato dagli urti con le imperfezioni del reticolo (principalmente atomi droganti); la mobilità cresce con la temperatura perché, aumentando la velocità termica dei portatori, si riduce il tempo di interazione fra essi e gli atomi droganti, riducendo in definitiva l'effetto di disturbo da parte di questi ultimi. Il secondo meccanismo di dispersione, dovuto alla vibrazione di tutti gli atomi del reticolo attorno alle loro posizioni di equilibrio, è trascurabile alle basse temperature ma aumenta rapidamente di importanza al crescere della temperatura, facendo diminuire il cammino libero medio dei portatori e quindi la mobilità. In generale la densità di corrente J entro un semiconduttore estrinseco è data dalla relazione, già enunciata, J=nμ+pμ, dove le concentrazioni n e p di elettroni liberi e di lacune e le mobilità μ e μ sono funzioni della temperatura.

Fisica: il modello a bande applicato al comportamento dei semiconduttori

Il comportamento dei semiconduttori può essere illustrato in modo sintetico mediante il cosiddetto modello a bande che deriva dall'applicazione della meccanica quantistica alla descrizione degli elettroni nei solidi e che mette in evidenza come i livelli energetici permessi agli elettroni possono essere raggruppati in bande separate fra loro da intervalli proibiti. Il numero dei livelli energetici contenuti in ogni banda è determinato dal numero degli atomi del campione di solido considerato ed è così elevato che la distribuzione dei livelli può considerarsi continua entro tutta la banda. Poiché, per il principio di esclusione, è rigidamente limitato il numero di elettroni che possono occupare uno stesso livello energetico, la conduzione all'interno di un solido è possibile solo se si può fornire a un elettrone una quantità aggiuntiva di energia cinetica, cioè se lo si può far passare a un livello energetico superiore. Per questo motivo una banda completamente occupata non può partecipare al processo di conduzione, mancando livelli energetici liberi in cui gli elettroni possano trasferirsi. È importante considerare i diagrammi energetici relativi alle bande di valenza e di conduzione, che sono quelle che determinano sostanzialmente le proprietà elettroniche dei solidi: la banda di valenza è quella che comprende tutti i livelli energetici occupati dagli elettroni di valenza; la banda di conduzione è la banda al di sopra di quella di valenza.

Fisica: il modello a bande, diagramma energetico di un isolante

Nel diagramma energetico di un isolante la banda di valenza e quella di conduzione sono separate da un intervallo proibito molto ampio (tipicamente 5 eV). In questa situazione né l'agitazione termica a temperatura ambiente né i piccoli campi elettrici applicati in pratica possono trasferire gli elettroni situati più in alto nella banda di valenza fino alla banda di conduzione; non si può quindi fornire energia agli elettroni e non si può avere conduzione di elettricità. Nettamente diversa è la situazione per un conduttore. Le due bande di valenza e di conduzione si sovrappongono e, non esistendo un intervallo di energia proibito, non vi è ostacolo a trasferire elettroni ai livelli d'energia superiori, che sono liberi.

Fisica: il modello a bande, diagramma energetico di un semiconduttore intrinseco

Per un semiconduttore intrinseco il diagramma energetico è simile a quello dell'isolante, ma è caratterizzato da un intervallo proibito più piccolo (prossimo a 1 eV). Di conseguenza, mentre a temperature prossime allo zero assoluto non c'è differenza fra il comportamento di un semiconduttore intrinseco e quello di un isolante, alla temperatura ambiente alcuni degli elettroni possono saltare dalla banda di valenza a quella di conduzione, lasciando al loro posto delle lacune nella banda di valenza. Se in queste condizioni si applica un campo elettrico, gli elettroni che sono passati nella banda di conduzione possono acquisire energia cinetica e sono perciò in grado di partecipare al processo di conduzione. Lo stesso si verifica per le lacune lasciate nella banda di valenza, per le quali però un aumento di energia implica uno spostamento verso i livelli inferiori (cui corrisponde uno spostamento verso i livelli superiori per gli elettroni della banda di valenza). Se nel semiconduttore sono conglobati donatori o accettori, si hanno diagrammi energetici che mostrano come i livelli degli atomi di impurezza si trovino entro l'intervallo indicato come proibito per i semiconduttori intrinseci: i livelli dei donatori leggermente al di sotto del limite inferiore della banda di conduzione, quelli degli accettori leggermente al di sopra del limite superiore della banda di valenza. Il ridotto salto energetico (tipicamente 0,05 eV) fra detti livelli e la banda di conduzione o la banda di valenza dà ragione del fatto che, per effetto dell'agitazione termica a temperatura ambiente, praticamente tutti gli elettroni sono strappati ai donatori e trasferiti alla banda di conduzione e tutte le lacune create dagli accettori sono trasferite alla banda di valenza.

Tecnica: preparazione dei semiconduttori per applicazioni elettroniche

L'utilizzazione dei semiconduttori nei dispositivi elettronici (raddrizzatori, transistor, dispositivi fotoelettronici, varistori, rivelatori di radiazioni nucleari ecc.) richiede la preparazione di materiali estremamente puri che possano essere drogati con quantità minime e rigorosamente controllate di atomi donatori o accettori. In effetti, anche dopo la drogatura, la purezza dei semiconduttori per applicazioni elettroniche resta nettamente superiore a quella ottenibile con metodi chimici e sono stati pertanto introdotti nuovi metodi di purificazione. Per esempio il germanio e il silicio ottenuti attraverso i normali procedimenti di depurazione chimica sono ulteriormente purificati, mediante fusione a zone ripetuta fino a ottenere il grado di purezza desiderato. Una volta ottenuto un materiale amorfo di purezza sufficiente, esso viene trasformato in monocristallo, di solito immergendo un germe monocristallino nel materiale fuso ed estraendolo quindi con sufficiente lentezza e regolarità, in modo che si accresca formando attorno a sé un solido con la sua stessa struttura monocristallina.

Bibliografia

R. Adler, A. Schmith, R. Longini, Introduction to Semiconductor Physics, New York, 1964; S. Malatesta, Elettronica e Radiotecnica, Pisa, 1967; P. Hunter, Handbook of Semiconductor Electronics, New York, 1970; K. Hess, Fisica dei dispositivi a semiconduttore, Milano, 1991.