10.3 : Nozioni di base sui semiconduttori

I semiconduttori intrinseci sono materiali altamente puri, senza impurità. Allo zero assoluto questi semiconduttori si comportano come isolanti perfetti, perché tutti gli elettroni di valenza sono legati e la banda di conduzione è vuota, impedendo la conduzione elettrica. Il livello di Fermi è un concetto utilizzato per descrivere la probabilità all'equilibrio termico di occupazione dei livelli energetici da parte degli elettroni. Nei semiconduttori intrinseci, il livello di Fermi è posizionato nel punto medio del gap energetico allo zero assoluto. Quando la temperatura del semiconduttore aumenta, l'energia termica eccita alcuni elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione, creando coppie elettrone-lacuna (EHP). La creazione di EHP consente la conduzione perché gli elettroni possono muoversi liberamente nella banda di conduzione e le lacune possono agire come portatori di carica positiva nella banda di valenza.

La concentrazione intrinseca del portatore, indicata come ni, è il numero di elettroni o lacune liberi in un semiconduttore puro all'equilibrio termico. È un valore dipendente dalla temperatura e può essere espresso con la formula:

Dove B è la costante del materiale, T è la temperatura, Eg è l'energia della banda proibita e k è la costante di Boltzmann.

A qualsiasi temperatura superiore allo zero assoluto, gli EHP vengono generati a una velocità gi e si ricombinano a una velocità ri. Affinché il semiconduttore mantenga l'equilibrio termico, queste velocità devono essere uguali. La velocità di ricombinazione è proporzionale al prodotto delle concentrazioni di elettroni (n0) e lacune (p0), descritto da:

dove αr è il coefficiente di ricombinazione.

I semiconduttori intrinseci possono essere modificati per diventare semiconduttori estrinseci mediante drogaggio, che introduce impurità per modificare le proprietà elettriche del materiale. Il drogaggio di semiconduttori intrinseci con atomi pentavalenti, crea materiali di tipo N aggiungendo elettroni liberi. Al contrario, i droganti trivalenti, producono materiali di tipo P con lacune prevalenti, spostando il livello di Fermi verso la banda di valenza, modificando così le proprietà conduttive del semiconduttore.