Fis. - Sostanza cristallina caratterizzata da
proprietà elettriche intermedie tra quelle degli isolanti e quelle dei
conduttori. Il materiale
s. presenta una resistività elettrica
compresa tra 1 e 10
6 ohm · cm e, inoltre, mostra, in maniera
più o meno spiccata: coefficiente di temperatura della resistività
negativo, cioè resistività decrescente all'aumentare della
temperatura; sensibilità alle radiazioni luminose, ad esempio effetto
fotovoltaico o resistenza variabile in funzione delle radiazioni luminose
incidenti; potere termoelettrico elevato; comportamento non ohmico nelle
giunzioni con certi tipi di metalli. In passato, la classificazione delle
sostanze era fatta essenzialmente in funzione della loro resistività
elettrica, elemento che determinava l'inserimento dei
s. in tre classi:
metalli (resistività da 10
-6 a 10
-3 ohm
· cm circa),
s. e
isolanti (resistività da
10
10 a 10
20 ohm · cm circa). La resistività
elettrica dei materiali è una delle grandezze fisiche che hanno il
maggior campo di escursione: va da 10
-6 circa per l'argento a
10
22 ohm · cm per alcuni isolanti, con una scala oscillante su
28 ordini di grandezza. La bassa conducibilità dei
s. permette il
controllo del flusso di corrente elettrica e quindi la realizzazione di
dispositivi elettrici attivi (non ohmici). La diffusione di questi (diodi,
transistori, ecc.) è legata ai numerosi vantaggi (maggior durata, minor
costo, efficiente risposta all'accensione, ecc.) che essi presentano sui
corrispondenti dispositivi (diodo a vuoto, triodo, ecc.) basati sull'emissione
termoionica. Dalla scoperta dell'effetto rettificante di alcuni
s.,
avvenuta nel XIX sec., vennero affrontati studi a seguito dei quali si giunse
alla pianificazione (1935) e alla costruzione (1947) del
transistor, un
dispositivo allo stato solido in grado di funzionare come amplificatore.
║
S. intrinseci o
puri:
materiali
s. per i quali il passaggio di elettroni dalla banda di valenza
a quella di conduzione avvenga per azione termica. La banda di valenza e quella
di conduzione risultano separate da un'energia pari a quella generata
dall'azione degli elettroni; per tale motivo un elettrone è in grado di
abbandonare la banda di valenza per passare in quella di conduzione lasciando
una
lacuna nella banda di partenza. Alcuni elettroni possono quindi avere
energia superiore alla media da oltrepassare il livello
Ec e
collocarsi quindi nella banda di conduzione. Questa possibilità è
legata alla presenza di un
gap limitato. Ad esempio per alcuni elementi
del IV e VI gruppo della tavola periodica si hanno i seguenti valori di
gap:
|
Elementi
|
Gap (eV)
|
Carbonio (diamante)
|
6
|
Selenio
|
2
|
Silicio
|
1,1
|
Germanio
|
0,7
|
Tellurio
|
0,33
|
Stagno (grigio)
|
0,08
|
I primi due elementi sono degli isolanti mentre tutti gli altri sono
dei
s. intrinseci, come il boro, l'ossido di zinco (ZnO), l'ossido di
rame (Cu
2O), il solfuro di cadmio (CdS), l'antimoniuro di indio
(InSb), l'antimoniuro di gallio (GaSb), l'arseniuro di gallio (GaAs), vari altri
sali e alcune leghe a cristalli misti, come PbTe. Ai fini della costruzione di
dispositivi elettronici i
s. più interessanti sono il silicio e il
germanio, benché diversi altri abbiano applicazioni specifiche come il
CdS (per cellule fotoelettriche), lo InSb (per rivelatori di radiazioni
infrarosse), il GaAs (diodi elettroluminescenti) e così via. Il silicio e
il germanio cristallizzano in un reticolo cubico particolare, schematizzabile
con due reticoli cubici a facce centrate e compenetrati fra loro. Ogni atomo di
silicio (o germanio) si trova circondato da quattro atomi uguali, disposti ai
vertici di un tetraedro regolare di cui l'atomo considerato costituisce il
centro. A sua volta ognuno di questi quattro atomi può essere
identificato come centro di un tetraedro, ai vertici del quale sono nuovamente
posti quattro atomi che creano così una struttura a diamante. Fra gli
atomi vicini si instaurano dei legami chimici di natura simile al legame
covalente esistente nei composti organici del carbonio. Ogni atomo di silicio (o
germanio) ha quattro elettroni, nello strato di valenza, in grado di stabilire
altrettanti legami covalenti. Si ottiene in tal modo una struttura rigida (il
materiale appare alla scala macroscopica duro e fragile, in quanto
sovrabbondante di legami; tutto il cristallo può allora essere
considerato come una sola molecola, in quanto qualsiasi atomo del cristallo
è raggiungibile attraverso i legami chimici. Volendo rappresentare il
suddetto cristallo, si pongono gli atomi di silicio (o germanio) ai vertici di
un reticolo a maglie quadrate i cui lati sono i legami fra i vari atomi. In tal
modo le semirette uscenti dagli angoli fra due legami qualsiasi formano fra loro
altrettanti angoli che possono essere di 90° o 180°.
║
Generazione di portatori:
riferendosi a
s. intrinseci, il numero di portatori negativi
Nn presenti nella banda di conduzione è uguale al
numero di portatori positivi
Np presenti nella banda di
valenza, intendendo per
portatore una qualsiasi carica elettrica libera
di muoversi nel cristallo per effetto di un campo elettrico esterno al cristallo
stesso. Pertanto potremo dire che la concentrazione intrinseca di portatori
Ni, uguale ad
Nn e ad
Np,
è data da:
N
i = Z · (kT)
3/2 ·
e
-½ Eg/kTLa generazione dei portatori,
cioè la promozione di un elettrone dalla banda di valenza a quella di
conduzione può avvenire per diverse ragioni. I nuclei atomici, dotati di
elettroni, non sono immobili nelle loro posizioni reticolari, ma vibrano
armonicamente attorno a queste, creando un campo di potenziale continuamente
variabile: un elettrone può quindi subire un'accelerazione fino a
possedere un'energia cinetica tale da consentire il passaggio della particella
negativa alla banda di conduzione. Il legame da cui si è staccato resta
vacante di un elettrone per cui, dato che inizialmente la zona di cristallo era
neutra, si ritrova in eccesso di carica positiva. Vi sarà una
deformazione locale del cristallo, dovuta al legame irregolare, per cui questa
zona di cristallo tenderà alla cattura di un elettrone di un altro legame
che a sua volta resterà deformato e tenderà a catturare un
elettrone da un altro legame e così via. Pertanto anche se in
realtà si hanno spostamenti di elettroni, dal punto di vista elettrico si
è avuta una migrazione di una carica positiva, cioè di una
vacanza elettronica o
buca. Questo moto disordinato, in presenza
di un campo elettrico esterno diventa parzialmente ordinato, permettendo quindi
il passaggio di corrente in direzione conforme al campo elettrico. È
evidente però che la
mobilità dei due tipi di portatori,
intesa come spazio percorso da essi mediamente nell'unità di tempo per
effetto di un certo campo elettrico, sarà diversa: essa è
inferiore per i portatori positivi a causa del meccanismo stesso di catture
successive con cui si spostano. La velocità con cui sono generati i
portatori (sempre uno positivo e uno negativo), dipende essenzialmente dalla
temperatura; quest'ultima è una funzione
g(
T) data
da:
g(T) = A · T
α ·
e
-qEg/kTnella quale
A e α sono costanti
dipendenti dal tipo di materiale,
q è la carica elettrica
dell'elettrone (pari a 1,602 · 10
-19 Coulomb). Si osservi che, a
parte il significato dato a
Eg dalla teoria delle bande, esso
rappresenta anche la soglia (in tensione) dell'effetto fotoelettrico nel
materiale considerato. La generazione di portatori può anche essere
fatta, ad esempio, per illuminazione del
s. con luce di frequenza
opportuna; non consideriamo però questo fatto anche se per alcuni
dispositivi è importante. Oltre alla generazione si può anche
avere la ricombinazione fra elettroni e buche, cioè il fenomeno
esattamente opposto. Questo è governato da una legge di questo
tipo:
r(T) = K(T) · N
n · N
pdove
r(
T) è la velocità di ricombinazione, funzione della
temperatura,
K(
T) un coefficiente di ricombinazione dipendente
dalla temperatura,
Nn e
Np sono le
concentrazioni di portatori negativi e positivi (rispettivamente) nel cristallo;
trattandosi di un
s. intrinseco sono uguali fra loro e funzione della
temperatura. In questa situazione di coppie di portatori continuamente generate
e coppie distrutte per ricombinazione si giunge a un equilibrio dinamico
allorché la velocità di generazione e di ricombinazione siano fra
loro uguali, cioè:
g(T) = r(T)
Per una certa temperatura si
può quindi risolvere questa equazione e trovare il numero di coppie di
portatori che sono presenti. A 300 °K per esempio (circa 27 °C) si
ricava per il silicio una concentrazione di 1,5 · 10
10
coppie/cm
3 mentre per il germanio si trova una concentrazione di 2,5
· 10
13 coppie/cm
3. Considerato il numero di legami
chimici presenti nell'unità di volume di un cristallo (noto dal lato
della cella elementare del cristallo, oppure calcolabile dalla densità,
noto il numero di Avogadro), si trova che nel germanio, in condizioni di assenza
di altri effetti, a 300 °K è
ionizzato (cioè separato
a dare una coppia di portatori) un legame chimico ogni due miliardi di legami,
mentre nel silicio lo è uno ogni 3 · 10
12 legami.
║
S. drogati o
estrinseci:
s. in cui sono inserite impurezze rappresentate da atomi aventi, nella
banda di valenza, un elettrone in eccesso o in difetto rispetto a quelli della
sostanza base. Nella pratica comune il silicio e il germanio non sono usati allo
stato di elevata purezza come si ottengono col processo di
raffinazione a
zona, ma sono
drogati con elementi del III o del V gruppo della
tavola periodica. Gli elementi
drogati sono sempre presenti in
quantità assai piccole e possono essere aggiunti direttamente al
cristallo oppure possono essere fatti penetrare in esso mediante un processo di
diffusione allo stato solido condotto a temperatura elevata. Il
comportamento del materiale viene influenzato dai droganti soprattutto alle
basse temperature, allorché la generazione di cariche per agitazione
termica è bassa: essi aumentano sensibilmente la conducibilità del
materiale in quanto rendono disponibili un certo numero di portatori positivi o
negativi. Alle temperature più elevate invece si ha una forte generazione
di cariche per agitazione termica e i portatori originati dai droganti diventano
poco significativi sul totale: il
s. torna a comportarsi praticamente
come intrinseco, mentre dove è rilevante l'azione dei droganti si dice
s. estrinseco o per
drogaggio. I
s. in cui le impurezze
(definite
donatori) aggiungono elettroni sono identificati come
drogati di tipo N, mentre quei
s. in cui le impurezze
(
accettori) aggiungono lacune (quindi cariche positive) sono detti di
tipo p.
ENERGIA DI LEGAME (eV)
|
|
Elemento drogante
|
nel silicio
|
nel germanio
|
Fosforo
|
0,045
|
0,0120
|
Arsenico
|
0,049 ÷ 0,056
|
0,0127
|
Antimonio
|
0,039
|
0,0096
|
Si vede come queste energie siano molto limitate, comparabili al valore
del prodotto
kT (pari a circa 0,03 eV a 300 °K) per cui in
realtà a temperature prossime all'ambiente questi elettroni sono quasi
tutti strappati ai loro atomi e liberi di muoversi (e quindi di condurre la
corrente) nel cristallo. Per effetto dell'introduzione del drogante, sono stati
generati degli elettroni liberi; pertanto in un materiale
n saranno
presenti sia portatori negativi (elettroni) sia positivi (buche). I primi sono
presenti ora in quantità molto maggiore dei secondi perché la
concentrazione di elettroni è data da quelli generati termicamente
(insieme con una buca) e quelli derivanti dagli atomi di impurezza.
Allorché l'elettrone si è separato dall'atomo di impurezza ha
lasciato una carica positiva su esso, ma questa non è un portatore
perché, catturando un elettrone, torna nella condizione di partenza. Si
presentano allora tante cariche positive quante negative, per la
neutralità elettrica del cristallo, ma la maggior parte delle positive
sono fisse per cui il maggior contributo alla conduzione della corrente viene
dato dalle cariche negative che per questo motivo sono dette
portatori
maggioritari mentre le positive sono i
portatori minoritari. Si
è detto che nel materiale non drogato la concentrazione dei portatori
positivi e negativi era data rispettivamente da
N
p e
N
n, con N
p = N
n = N
iLa
concentrazione totale di portatori è quindi data dal prodotto delle due,
cioè da
N
n · N
p =
N
2i.
Per il d
rogaggio di tipo P valgono in
parte le stesse considerazioni svolte per il drogaggio
N. In questo caso
però si introduce nel silicio (o germanio) una piccola quantità di
elemento del III gruppo della tavola periodica, ad esempio boro, alluminio,
gallio o indio. Anche queste impurezze si collocano nel reticolo cristallino in
sostituzione di atomi di silicio (o germanio) e stabiliscono dei legami
covalenti con i quattro atomi circostanti. Essi però appartengono al III
gruppo della tavola periodica, per cui hanno solo tre elettroni nello strato di
valenza. Possono quindi stabilire con i quattro atomi tre legami normali, mentre
il quarto resta anomalo in quanto manca di un elettrone. Tale legame tende a
catturare un elettrone da un altro legame e quindi a far assumere all'atomo
drogante una carica negativa (fissa) mentre nella zona dove è stato
asportato un elettrone si crea una buca elettronica. A sua volta questa
può catturare un elettrone, tornando neutra e spostandosi in un'altra
posizione. Anche in questo caso le energie che l'agitazione termica deve fornire
affinché l'elemento drogante catturi un elettrone trasformandosi in ione
negativo fisso e generando una buca mobile sono molto limitate; diamo questi
valori per i droganti
N più comuni nel silicio e nel
germanio:
ENERGIA DI LEGAME (eV)
|
|
Elemento drogante
|
nel silicio
|
nel germanio
|
Boro
|
0,045
|
0,0104
|
Alluminio
|
0,057 ÷ 0,067
|
0,0102
|
Gallio
|
0,065 ÷ 0,071
|
0,0108
|
Indio
|
0,160
|
0,0112
|
Come si vede anche in questo caso sono energie limitate, comparabili
col prodotto
kT. Pertanto potremo considerare che la maggior parte degli
atomi droganti siano ioni negativi, e quindi cariche negative fisse, mentre
esistono altrettanti portatori positivi liberi di muoversi e di condurre la
corrente. La conducibilità elettrica è quindi affidata
essenzialmente ai portatori positivi che stavolta saranno detti
maggioritari mentre i negativi saranno
minoritari.
║
Spostamenti delle bande di energia:
la presenza di impurezze può modificare i livelli di energia, anche se le
concentrazioni considerate sono molto piccole. Più importante è
invece lo spostamento del livello di energia di Fermi
Ef come
conseguenza del drogaggio. Si può facilmente dimostrare che l'energia di
Fermi
Ef, che in un
s. intrinseco si trova a coincidere
con la
Ei (livello intrinseco di Fermi), in un
s.
drogato si sposta dal centro del
gap verso una delle due bande e
precisamente:
a) in un
s. drogato
n l'energia di Fermi
Ef si sposta verso la banda di conduzione, cioè si
avvicina ad
Ec;
b) in un
s. di tipo p la
Ef si sposta verso la banda di valenza, cioè si
avvicina ad
Ev. Se alla luce di quanto ora detto si riprendono
le equazioni che esprimono
Nn ed
Np in
funzione delle differenze fra
Ef ed
Ec o
Ev si vede come sia dimostrato anche analiticamente che i
portatori positivi e negativi sono ora in numero diverso e che prevale l'uno o
l'altro tipo secondo il drogaggio. ║
Moto
dei portatori: la conduzione, a parità di concentrazione di
portatori, è diversa secondo che questi siano per lo più positivi
o per lo più negativi. La
mobilità dei portatori viene
definita come il numero di portatori che nell'unità di tempo attraversa
una sezione di area unitaria del cristallo sotto l'effetto di un campo
elettronico avente un gradimento di 1 Volt per unità di lunghezza. Si
misura in cm
2/Volt sec e ha valori che nel silicio vanno da 100 a
1.000 circa; il suo andamento in funzione della concentrazione di impurezza
è riportato in figura, insieme con la conducibilità elettrica del
materiale. Come si vede la mobilità diminuisce fortemente all'aumentare
della concentrazione di drogante, come pure anche la resistività; inoltre
su quasi tutto il campo di concentrazioni, e in particolare nelle zone di
interesse pratico, la resistività di un materiale
n è
inferiore a quella di un materiale
p a pari concentrazione di impurezza.
Per questo motivo la maggior parte dei transistori al silicio impiegati sono del
tipo N-P-N e i transistori M.O.S. (a effetto di campo) sono quasi tutti a canale
p. ║
Giunzione P-N o
PN,
NP: regione di confine fra una zona drogata
p ed una
drogata
n all'interno di uno stesso monocristallo di
s. Si osservi
che essa rappresenta una discontinuità di composizione chimica e di
caratteristiche elettriche, ma non a livello meccanico in quanto la zona
p e la zona
n sono parte di uno stesso monocristallo. Vale a dire
che se si accostano anche strettamente due pezzi di
s., uno drogato
p ed uno
n, non si ottiene una giunzione perché non si ha
la perfetta continuità meccanica che esiste in un cristallo unico.
Tenendo presente che tecnologicamente è pressoché impossibile
realizzare un drogaggio
p ed un drogaggio
n all'interno di uno
stesso monocristallo in modo che siano separati da una superficie netta in
quanto le impurezze diffondono anche attraverso questa, diremo che la giunzione
si colloca sulla superficie di separazione fra il materiale dei due tipi,
laddove la concentrazione di droganti
p è uguale a quella dei
droganti
n. Consideriamo il caso di assenza di polarizzazione,
cioè di campi elettrici esterni applicati al cristallo, ed esaminiamo la
giunzione. Per esemplificare la comprensione immaginiamo di poter disporre di
due parti di monocristallo e di poter costruire la giunzione portandole a
contatto in modo che combacino perfettamente. Nel materiale
p si ha
eccesso di positivi sui negativi e quindi essi sono i maggioritari; nel
materiale
n sono invece maggioritari i portatori negativi, che sono in
eccesso sui positivi. Portiamo ora a contatto le due parti, costruendo la
giunzione; a cavallo di essa si hanno sui due lati diverse concentrazioni di
portatori che per il fenomeno della
diffusione, invaderanno la zona di
drogaggio opposta. In particolare questo sarà fatto solo da portatori
maggioritari in quanto i portatori positivi passeranno dal materiale
P
(dove sono presenti con alta concentrazione) al materiale
N (dove hanno
concentrazione bassa) mentre i portatori negativi passeranno dal materiale
N (concentrazione alta) al materiale
P (concentrazione bassa). La
zona del materiale
P prossima alla giunzione perde quindi dei portatori
p e si svuota di cariche libere: in essa restano solo cariche fisse che,
come si è detto, sono negative. Analogamente la zona di materiale
N prossima alla giunzione si svuota di portatori negativi e quindi in
essa restano solo cariche fisse che, come è noto, sono positive. Si crea
quindi a cavallo della giunzione uno
strato di svuotamento o
strato di
sbarramento o
zona di carica spaziale che ha un certo spessore finito
e limitato perché le cariche fisse rimaste nella zona svuotate di cariche
mobili creano un campo elettrico di segno tale da opporsi alla migrazione
ulteriore delle cariche mobili. Questa quindi continua finché tale campo,
crescente con l'ampiezza dello strato di svuotamento, è tale da impedirla
completamente. Lo spessore della zona svuotata è tanto minore quanto
più sono drogate (
p e
n) le zone del cristallo, cioè
quanto maggiore è la densità delle cariche fisse. Valori comuni di
spessori di tale strato, nel silicio o nel germanio, sono 0,1 ÷ 10 micron
(1 micron = 0,001 mm). È da osservare che la presenza di cariche fisse
nello strato di svuotamento porta ad una vera e propria differenza di
potenziale, che diremo
Vg, calcolabile facilmente; si trova
che:
nella quale, oltre ai simboli
noti, compaiono
NA e
ND che rappresentano la
concentrazione di droganti accettori (nel materiale
P) e donatori (nel
materiale
N). La situazione di questi livelli a cavallo di una giunzione
è illustrata in figura. Immaginiamo ora di poter polarizzare la giunzione
applicando a cavallo del cristallo un campo elettrico fra la zona
p e la
n a mezzo di una pila esterna. Si possono avere due casi: A)
polarizzazione diretta: la pila è collegata col morsetto positivo
al materiale
P e col negativo al materiale
N. In questo caso il
campo elettrico a cavallo del cristallo è diretto in modo da spingere dei
portatori maggioritari positivi a entrare dalla zona
P nella
N e
dei portatori maggioritari negativi a passare dalla zona
N alla
P.
Poiché i portatori maggioritari possono attraversare con facilità
la giunzione
p-n e il materiale
P non si impoverisce di portatori
positivi né quello
N di portatori negativi, i maggioritari vengono
continuamente riforniti dalla pila esterna. B)
Polarizzazione inversa: si
colleghi ora la batteria esterna con il morsetto positivo al materiale
N
e col negativo al materiale
P. Il senso del campo elettrico è ora
tale da spingere solo i portatori minoritari ad attraversare la giunzione,
mentre i portatori maggioritari tendono a essere allontanati dallo strato di
svuotamento che qui si allarga. In questo modo la corrente che attraversa la
giunzione è minima e non aumenta che pochissimo all'aumentare della
tensione perché anche per livelli bassi della tensione esterna applicata
tutti i portatori minoritari si possono considerare in movimento per condurre.
Un dispositivo di questo tipo pertanto conduce la corrente se il senso è
tale da impartirgli una polarizzazione diretta, mentre non la conduce se
è in polarizzazione inversa; si tratta quindi di un
diodo a s.
║
Dispositivi a s.: numerosissimi
sono i dispositivi elettronici che impiegano dei
s., tra questi il
diodo a s. Esso viene impiegato diffusamente nei circuiti radio e
televisivi e digitali come rivelatore, demodulatore, raddrizzatore di correnti
alternate, matrici di decodifica, disaccoppiamenti e così via. Sue
varianti sono il
diodo Zener, usato per stabilizzare tensioni o creare
una polarizzazione di livello rigoroso, il
diodo a tunnel, usato come
amplificatore e per circuiti bistabili a elevata velocità di
commutazione, e il
diodo controllato o
SCR che possiede un terzo
elettrodo tramite il quale si può comandare il flusso di corrente che
viene impiegato in circuiti raddrizzatori, nella stabilizzazione delle tensioni,
nelle accensioni elettroniche per automobili e così via. Citiamo inoltre
i
transistor e i
circuiti integrati; del primo dispositivo
esistono diversi tipi:
a punte di contatto,
a barriera
superficiale,
a lega,
a giunzione accresciuta,
mesa,
a doppia diffusione e, infine, a
effetto di campo. Il transistor
è essenzialmente un apparato di amplificazione, nel quale una corrente (o
tensione) in uscita viene comandata da una corrente (o tensione) in ingresso che
è proporzionalmente molto minore. Pertanto trova impiego nei circuiti di
amplificazione di qualsiasi genere (audio, televisivi, in strumentazione,
controlli elettronici, ecc.) come pure nei circuiti digitali (calcolatori
elettronici, strumenti, circuiti di telecomunicazione, ecc.) e in circuiti di
stabilizzazione, controllo e protezione di tensione. Altri impianti sono
rappresentati dai
circuiti integrati costruiti con silicio per mezzo di
una tecnica detta
planare che permette di realizzarne contemporaneamente
un certo numero; esistono inoltre: 1)
Fotocellule: dispositivi che
presentano una resistenza variabile al variare della luce che incide sulla loro
superficie (
celle fotoconduttrici) o che presentano ai loro due morsetti
una tensione proporzionale alla radiazione incidente (
celle
fotovoltaiche). 2)
Termistori: sono dei resistori variabili, la cui
resistenza diminuisce all'aumentare della temperatura, dell'ordine di qualche
percento per ogni grado centigrado di aumento della temperatura. Sono impiegati
sia per strumenti di misura (termometri di notevole precisione) sia per
compensare altri elementi in circuito elettronico, in quanto ad esempio nei
resistori comuni a impasto o a strato la resistenza aumenta con la temperatura.
3)
Termocoppie: utilizzando una giunzione
p-n si può
costruire una termocoppia, cioè un dispositivo che dà ai suoi capi
una forza elettromotrice proporzionale alla temperatura della giunzione stessa.
Esso può essere impiegato sia come elemento di misura della temperatura
sia per la conversione diretta di energia termica in energia elettrica. 4)
LED: con questa sigla, derivata dall'inglese
Light Emitting
Diodes, cioè diodi emettitori di luce, si intendono quei dispositivi
a
s. che emettono radiazioni luminose allorché vengono sottoposti
ad una tensione o corrente di senso opportuno. Sostanzialmente questi
dispositivi funzionano come delle celle fotovoltaiche. Vale a dire che,
sottoposti a una tensione generano dei fotoni, che vengono emessi o nello
spettro visibile o in una regione prossima ad esso, ad esempio nell'infrarosso.
Un altro
s. che appare molto adatto per diodi elettroluminescenti
è il fosfoarseniuro di gallio GaAsP, che emette direttamente nel campo
del rosso, con un picco attorno ai 650 ÷ 660 nanometri.
║
Principali s.: molti
s., ad
esempio l'ossiduro di rame, il solfuro di rame, l'ossido di zinco, ecc., possono
essere considerati sia intrinseci sia estrinseci, secondo il punto di vista. La
loro conducibilità infatti è dovuta soprattutto alla presenza di
imperfezioni nel reticolo cristallino. Materiali
s. estrinseci possono
poi essere prodotti a partire da numerosi composti non
s., introducendo
in essi piccole quantità di una specie atomica diversa da una di quelle
presenti; comunemente la specie drogante ha valenza superiore o inferiore di una
unità rispetto a quella che sostituisce nel reticolo. Volendo
classificare i
s., si possono distinguere arbitrariamente le seguente
classi: 1)
Elementi: sono il boro, il silicio, il germanio, lo stagno
grigio, il selenio e il tellurio, appartenenti al III, IV e VI gruppo
(sottogruppo A) della tavola periodica degli elementi. 2)
Composti III-V:
sono composti binari di un elemento del III e uno del V gruppo della tavola
periodica. Ricordiamo tra questi l'antimoniuro di indio (InSb), il fosfuro di
gallio (GaP), l'arseniuro di gallio (GaAS). Questi composti hanno per lo
più una struttura cristallina simile a quella del diamante, e quindi a
quella del silicio e del germanio. Anche nei loro cristalli ogni atomo si trova
al centro di un tetraedro, circondato da quattro atomi che stanno ai vertici di
questo: ogni atomo centrale è però circondato da quattro atomi
della specie opposta. 3)
Composti II-VI:
sono composti binari fra
elementi del II e del VI gruppo della tavola periodica. Questa classe comprende
moltissimi
s., distinguibili in
solfuri,
seleniuri,
tellururi. 4)
Composti I-VII: fra elementi del I e del VII gruppo
si possano produrre
s., anche se i composti di questo tipo, come lo
ioduro di argento AgI, hanno scarse applicazioni pratiche. 5)
Gruppo della
galena: il piombo (IV gruppo) dà
s. con gli elementi del VI
gruppo. 6)
Altri composti inorganici: esistono altri numerosi composti
inorganici che si comportano come
s. ma che non sono classificabili nei
gruppi sopra menzionati. Si tratta sia di ossidi (Cu
2O, ZnO, ecc.),
di solfuri (Cu
2S, ecc.), sia di altri composti binari
(Mg
2Sb
2, MgI
2, Bi
2Te
3,
Bi
2Se
3, ecc.) e ternari (HgIn
2Te
4,
NiMn
2O
4, ecc.). 7)
S. organici: materiali che
presentano tutte le caratteristiche dei
s.: hanno una resistività
a temperatura ambiente di solito compresa fra 10
1 e 10
15
ohm · cm, ma fortemente decrescente con la temperatura, presentano
fotoconduttività spiccata e così via.
