Differenza principale: semiconduttore di tipo p rispetto a semiconduttore di tipo n

I semiconduttori di tipo p e di tipo n sono assolutamente cruciali per la costruzione dell'elettronica moderna. Sono molto utili perché le loro capacità di conduzione possono essere facilmente controllate. Diodi e transistor, che sono fondamentali per tutti i tipi di elettronica moderna, richiedono semiconduttori di tipo p e di tipo n per la loro costruzione. Il differenza principale tra semiconduttore di tipo p e di tipo n è che I semiconduttori di tipo p sono realizzati aggiungendo impurità di elementi del gruppo III ai semiconduttori intrinseci mentre, in semiconduttori di tipo n, le impurità sono elementi del gruppo IV.

Cos'è un semiconduttore

UN semiconduttore è un materiale che ha una conduttività tra quella di un conduttore e quella di un isolante. Nel teoria delle bande dei solidi, i livelli di energia sono rappresentati in termini di bande. Secondo questa teoria, affinché un materiale conduca, gli elettroni dalla banda di valenza dovrebbero essere in grado di spostarsi fino alla banda di conduzione (si noti che "spostarsi" qui non significa un elettrone che si muove fisicamente verso l'alto, ma piuttosto un elettrone che guadagna una quantità di energia associata alle energie della banda di conduzione). Secondo la teoria, i metalli (che sono conduttori) hanno una struttura a bande in cui la banda di valenza si sovrappone alla banda di conduzione. Di conseguenza, i metalli possono facilmente condurre elettricità. Negli isolanti, il banda proibita tra la banda di valenza e la banda di conduzione è piuttosto ampia, quindi è estremamente difficile per gli elettroni entrare nella banda di conduzione. Al contrario, i semiconduttori hanno un piccolo spazio tra le bande di valenza e di conduzione. Aumentando la temperatura, ad esempio, è possibile fornire agli elettroni energia sufficiente a consentire loro di spostarsi dalla banda di valenza fino alla banda di conduzione. Quindi, gli elettroni possono muoversi nella banda di conduzione e il semiconduttore può condurre elettricità.

Come vengono visti i metalli (conduttori), i semiconduttori e gli isolanti sotto la teoria delle bande dei solidi.

Semiconduttori intrinseci sono elementi con quattro elettroni di valenza per atomo, cioè elementi che si trovano nel “Gruppo-IV” della tavola periodica come silicio (Si) e germanio (Ge). Poiché ogni atomo ha quattro elettroni di valenza, ciascuno di questi elettroni di valenza può formare un legame covalente con uno degli elettroni di valenza in un atomo vicino. In questo modo, tutti gli elettroni di valenza sarebbero coinvolti in un legame covalente. A rigor di termini, non è così: a seconda della temperatura, un certo numero di elettroni è in grado di "rompere" i loro legami covalenti e prendere parte alla conduzione. Tuttavia, è possibile aumentare notevolmente la capacità di conduzione di un semiconduttore aggiungendo piccole quantità di impurità al semiconduttore, in un processo chiamato doping. L'impurità che viene aggiunta al semiconduttore intrinseco è chiamata drogante. Un semiconduttore drogato è indicato come an semiconduttore estrinseco.

Che cos'è un semiconduttore di tipo n?

Un semiconduttore di tipo n viene realizzato aggiungendo una piccola quantità di un elemento del gruppo V come fosforo (P) o arsenico (As) al semiconduttore intrinseco. Gli elementi del gruppo V hanno cinque elettroni di valenza per atomo. Pertanto, quando questi atomi formano legami con gli atomi del gruppo IV, a causa della struttura atomica del materiale solo quattro dei cinque elettroni di valenza possono essere coinvolti in legami covalenti. Ciò significa che per ogni atomo drogante c'è un elettrone "libero" in più che può quindi entrare nella banda di conduzione e iniziare a condurre elettricità. Pertanto, gli atomi droganti nei semiconduttori di tipo n sono chiamati donatori perché “donano” elettroni alla banda di conduzione. In termini di teoria della banda, possiamo immaginare che gli elettroni liberi dei donatori abbiano un livello energetico vicino alle energie della banda di conduzione. Poiché il gap energetico è piccolo, gli elettroni possono facilmente saltare nella banda di conduzione e iniziare a condurre una corrente.

Che cos'è un semiconduttore di tipo p?

Un semiconduttore di tipo p viene realizzato drogando un semiconduttore intrinseco con elementi del gruppo III come boro (B) o alluminio (Al). In questi elementi ci sono solo tre elettroni di valenza per atomo. Quando questi atomi vengono aggiunti a un semiconduttore intrinseco, ciascuno dei tre elettroni può formare legami covalenti con elettroni di valenza da tre degli atomi circostanti del semiconduttore intrinseco. Tuttavia, a causa della struttura cristallina, l'atomo drogante può creare un altro legame covalente se avesse un elettrone in più. In altre parole, ora c'è una "vacanza" per un elettrone, e spesso tale "vacanza" è chiamata a Foro. L'atomo drogante può ora prendere un elettrone da uno degli atomi circostanti e usarlo per formare un legame. Nei semiconduttori di tipo p, gli atomi droganti sono chiamati accettori poiché prendono gli elettroni per se stessi.

Ora, anche l'atomo a cui è stato rubato un elettrone rimane con un buco. Questo atomo può ora rubare un elettrone a uno dei suoi vicini, il quale, a sua volta, può rubare un elettrone a uno dei suoi vicini… e così via. In questo modo, possiamo effettivamente immaginare che un "buco con carica positiva" possa viaggiare attraverso la banda di valenza di un materiale, più o meno allo stesso modo in cui un elettrone può viaggiare attraverso la banda di conduzione. Il "movimento dei fori" nella banda di conduzione può essere visto come una corrente. Si noti che il movimento dei fori nella banda di valenza è nella direzione opposta al movimento degli elettroni nella banda di conduzione per una data differenza di potenziale. Nei semiconduttori di tipo p, si dice che i fori sono i vettori maggioritari mentre gli elettroni nella banda di conduzione sono i portatori di minoranza.

In termini di teoria delle bande, l'energia degli elettroni accettati ("il livello accettore") si trova un po' più in alto dell'energia della banda di valenza. Gli elettroni della banda di valenza possono facilmente raggiungere questo livello, lasciando dei buchi nella banda di valenza. Il diagramma seguente illustra le bande di energia nei semiconduttori intrinseci, di tipo n e di tipo p.

Bande di energia in semiconduttori intrinseci, di tipo n e di tipo p.

Differenza tra semiconduttore di tipo p e di tipo n

droganti

In semiconduttore di tipo p, i droganti sono elementi del gruppo III.

In semiconduttore di tipo n, i droganti sono elementi del gruppo IV.

Comportamento del drogante:

In semiconduttore di tipo p, gli atomi droganti sono accettori: prendono elettroni e creano buchi nella banda di valenza.

In semiconduttore di tipo n, gli atomi droganti agiscono come donatori: donano elettroni che possono raggiungere facilmente la banda di conduzione.

Vettori di maggioranza

In semiconduttore di tipo p, i vettori maggioritari sono buchi che si muovono nella banda di valenza.

In semiconduttore di tipo n, i portatori maggioritari sono elettroni che si muovono nella banda di conduzione.

Movimento dei vettori maggioritari

In semiconduttore di tipo p, i vettori maggioritari si muovono nella direzione della corrente convenzionale (dal potenziale più alto a quello più basso).

In semiconduttore di tipo n, i vettori maggioritari si muovono contro la direzione della corrente convenzionale.

Cortesia dell'immagine:

"Confronto delle strutture a banda elettronica di metalli, semiconduttori e isolanti". di Pieter Kuiper (autoprodotto) [dominio pubblico], tramite Wikimedia Commons