1. Proprietà dei semiconduttori

Banda energetica

Un atomo è costituito da un nucleo e da elettroni che orbitano attorno al nucleo.
Gli elettroni non possono orbitare attorno al nucleo a qualsiasi distanza nello spazio atomico che circonda il nucleo, ma solo alcune orbite molto specifiche sono consentite ed esistono solo in specifici livelli discreti. Queste energie sono chiamate livelli di energia. Un gran numero di atomi si riuniscono per formare un cristallo e interagisce in un materiale solido, quindi i livelli di energia sono diventati così ravvicinati da formare bande. Questa è la banda di energia.
I metalli, i semiconduttori e gli isolanti si distinguono gli uni dagli altri per le loro strutture a bande. Le loro strutture a banda sono mostrate nella figura seguente.

Nei metalli, la banda di conduzione e la banda di valenza si avvicinano molto l’una all’altra e possono persino sovrapporsi, con l’energia di Fermi （eｆ） da qualche parte all’interno. Ciò significa che il metallo ha sempre elettroni che possono muoversi liberamente e quindi può sempre trasportare corrente. Tali elettroni sono noti come elettroni liberi. Questi elettroni liberi sono responsabili della corrente che scorre attraverso un metallo.

Nei semiconduttori e negli isolanti, la banda di valance e la banda di conduzione sono separate da un gap energetico proibito（Eg）di larghezza sufficiente e l’energia di Fermi（eｆ） è tra la banda di valenza e di conduzione. Per raggiungere la banda di conduzione, l’elettrone deve guadagnare abbastanza energia per saltare il gap di banda. Una volta fatto questo, può condurre.

Nei semiconduttori a temperatura ambiente, il band gap è più piccolo, c’è abbastanza energia termica per consentire agli elettroni di saltare il gap abbastanza facilmente e rendere le transizioni in banda di conduzione, dato il semiconduttore conducibilità limitata. A bassa temperatura, nessun elettrone possiede energia sufficiente per occupare la banda di conduzione e quindi nessun movimento di carica è possibile. Allo zero assoluto, i semiconduttori sono isolanti perfetti, La densità degli elettroni nella banda di conduzione a temperatura ambiente non è così alta come nei metalli, quindi non può condurre una corrente buona come il metallo. La conduttività elettrica del semiconduttore non è così alta come il metallo, ma anche non è così scarsa come isolante elettrico. Ecco perché, questo tipo di materiale è chiamato semiconduttore – significa mezzo conduttore.

Il divario di banda per gli isolanti è grande, quindi pochissimi elettroni possono saltare il divario. Pertanto, la corrente non scorre facilmente negli isolanti. La differenza tra isolanti e semiconduttori è la dimensione dell’energia del gap di banda. Nell’isolante dove il gap proibito è molto grande e di conseguenza l’energia richiesta dall’elettrone per attraversare la banda di conduzione è praticamente abbastanza grande. Gli isolanti non conducono facilmente l’elettricità. Ciò significa che la conduttività elettrica dell’isolante è molto scarsa.

Cristallo semiconduttore utilizzato per IC ecc. è il silicio monocristallino ad alta purezza del 99,999999999%, ma quando si effettua effettivamente un circuito, vengono aggiunte impurità per controllare le proprietà elettriche. A seconda delle impurità aggiunte, diventano semiconduttori di tipo n e P.

Fosforo pentavalente (P) o arsenico (As) vengono aggiunti al silicio ad alta purezza per semiconduttori di tipo N. Queste impurità sono chiamate donatori. Il livello di energia del donatore si trova vicino alla banda di conduzione, cioè il divario energetico è piccolo. Quindi, gli elettroni a questo livello di energia sono facilmente eccitati alla banda di conduzione e contribuiscono alla conduttività.

D’altra parte, boro trivalente (B) ecc. viene aggiunto al semiconduttore di tipo P. Questo è chiamato un accettore. Il livello di energia dell’accettore è vicino alla banda di valenza. Poiché non ci sono elettroni qui, gli elettroni nella banda di valenza sono eccitati qui. Di conseguenza, i fori si formano nella banda di valenza, che contribuisce alla conduttività.