10.1 : Nozioni di Base sui Semiconduttori

Gli atomi isolati hanno livelli energetici discreti che sono ben descritti dal modello di Bohr. Questo quantifica l'energia di un elettrone in un atomo di idrogeno come E_N. Numeri quantici “n” più alti, producono livelli energetici degli elettroni meno negativi e più vicini.

Formazione della banda:

Quando gli atomi vengono avvicinati, come in un solido, questi livelli energetici discreti iniziano a dividersi a causa della sovrapposizione degli orbitali elettronici degli atomi adiacenti. Questa divisione avviene a causa del principio di esclusione di Pauli, secondo il quale due elettroni non possono occupare contemporaneamente lo stesso stato quantico. Man mano che più atomi vengono combinati, il numero di livelli energetici discreti aumenta e la scissione diventa così fine da formare una banda energetica continua. Ad un certo punto, noto come distanza interatomica di equilibrio, queste bande diventano la banda di valenza, piena di elettroni, e la banda di conduzione, che è vuota allo zero assoluto.

Bande energetiche nei semiconduttori:

La struttura delle bande energetiche è più complessa nei semiconduttori come il silicio, che ha 14 elettroni. I 10 elettroni interni occupano i livelli energetici più profondi e non contribuiscono al legame. I restanti quattro elettroni di valenza, che si trovano nei sottolivelli 3s e 3p, determinano le proprietà chimiche ed elettriche del materiale. Poiché gli atomi di silicio formano un reticolo cristallino, gli orbitali 3s e 3p si sovrappongono e formano bande. Alla distanza di equilibrio nel cristallo, queste bande contengono 4N stati per la banda di valenza e 4N stati per la banda di conduzione, dove N è il numero di atomi di silicio.

La dimensione della banda proibita è cruciale, perché determina la facilità con cui gli elettroni possono essere eccitati nella banda di conduzione. Questo gap di banda per i semiconduttori è sufficientemente piccolo affinchè l'energia termica o la luce possano eccitare gli elettroni attraverso il gap, determinando conduzione elettrica.