Semiconduttori — tipo P, tipo N e giunzione PN

Un semiconduttore è un materiale la cui conducibilità elettrica può essere progettata. Nel silicio, i droganti donatori producono materiale di tipo n con gli elettroni come portatori maggioritari, i droganti accettori producono materiale di tipo p con le lacune come portatori maggioritari, e unendo i due si crea una giunzione PN che conduce molto più facilmente in polarizzazione diretta che in polarizzazione inversa.

Questa sola idea spiega gran parte dell'elettronica di base. Diodi, LED, celle solari e molte strutture di transistor dipendono tutti da come i portatori si muovono nelle regioni di semiconduttore drogate.

Che cos'è un semiconduttore

In una semplice descrizione a bande, un semiconduttore ha una banda di valenza piena, una banda di conduzione quasi vuota e un gap di banda abbastanza piccolo da permettere di modificare il comportamento dei portatori nelle normali condizioni di funzionamento dei dispositivi. Il silicio puro a temperatura ambiente ha alcuni portatori mobili, ma molti meno di un metallo.

Quindi la domanda chiave non è solo "conduce?" La domanda utile è "che cosa cambia il numero e il moto dei portatori di carica?" Nei semiconduttori, la risposta è spesso il drogaggio, i campi elettrici, la temperatura o la luce.

Semiconduttori di tipo P e di tipo N

Il materiale semiconduttore puro viene spesso chiamato intrinseco. Quando aggiungi intenzionalmente una piccola quantità di atomi di impurità, ottieni un semiconduttore estrinseco.

Nel silicio, un drogante donatore come il fosforo può fornire un elettrone extra debolmente legato. Questo produce materiale di tipo n, in cui gli elettroni sono i portatori maggioritari.

Un drogante accettore come il boro lascia il cristallo con un elettrone di legame in meno, nella semplice descrizione dei legami. Questo produce materiale di tipo p, in cui le lacune sono i portatori maggioritari.

Una lacuna non è un protone e non è una particella fondamentale separata. È un modo comodo per seguire il moto degli elettroni mancanti in un insieme di stati quasi completamente occupato. In molti problemi, trattare le lacune come portatori mobili positivi rende la fisica molto più facile da seguire.

Come il drogaggio cambia la conducibilità

Il drogaggio cambia quale tipo di portatore è più facile da muovere. Nel materiale di tipo n, ci sono molti più elettroni disponibili per la conduzione che nel silicio intrinseco. Nel materiale di tipo p, il moto delle lacune diventa il contributo dominante.

Il cristallo resta comunque elettricamente neutro nel suo insieme. Questo punto è importante. Tipo p non significa che l'intero solido abbia una carica netta positiva, e tipo n non significa che abbia una carica netta negativa.

Come si forma una giunzione PN

Quando si uniscono regioni di tipo p e di tipo n, i portatori non restano perfettamente separati. Gli elettroni vicino alla giunzione diffondono dal lato n verso il lato p, e le lacune diffondono dal lato p verso il lato n.

Vicino al confine, molti di questi portatori si ricombinano. Questo lascia dietro di sé droganti ionizzati fissi: ioni donatori positivi sul bordo del lato n e ioni accettori negativi sul bordo del lato p.

Questa regione è chiamata regione di svuotamento perché è svuotata della maggior parte dei portatori mobili, non perché la materia scompaia. Le cariche scoperte creano un campo elettrico interno e una barriera interna che si oppone a ulteriore diffusione.

Questa barriera che si forma spontaneamente è la chiave del comportamento del diodo. Qualsiasi spiegazione della polarizzazione diretta o inversa deve seguire che cosa accade a questa barriera.

Esempio svolto: polarizzazione diretta e inversa in un diodo al silicio

Considera un semplice diodo al silicio formato da una regione di tipo p e una di tipo n.

Caso 1: nessuna batteria esterna

Non appena si forma la giunzione, diffusione e ricombinazione creano la regione di svuotamento. Il campo elettrico interno si oppone a ulteriore diffusione dei portatori, quindi la giunzione raggiunge l'equilibrio.

Caso 2: polarizzazione diretta

Ora collega il lato p al terminale positivo di una batteria e il lato n al terminale negativo. Questa è la polarizzazione diretta.

In questa condizione, il campo esterno riduce la barriera effettiva attraverso la giunzione. La regione di svuotamento diventa più stretta e i portatori maggioritari possono attraversare la giunzione più facilmente. La corrente può quindi aumentare molto.

Caso 3: polarizzazione inversa

Inverti la batteria in modo che il lato p sia negativo e il lato n positivo. Questa è la polarizzazione inversa.

Ora il campo esterno aumenta la barriera e allarga la regione di svuotamento. I portatori maggioritari vengono allontanati dalla giunzione, quindi la conduzione ordinaria resta piccola. Le giunzioni reali hanno comunque una certa corrente di perdita inversa, e una tensione inversa molto grande può causare breakdown, quindi l'idea di "nessuna corrente in assoluto" non è corretta.

Questa è l'idea principale del diodo in un solo esempio. La giunzione non è una valvola meccanica a senso unico. È un sistema di portatori e campi la cui barriera cambia con la polarizzazione applicata.

Errori comuni nelle domande sui semiconduttori

• Dire che il materiale di tipo p è complessivamente carico positivamente. In realtà resta elettricamente neutro nel suo insieme.
• Trattare una lacuna come una vera particella carica positivamente, come un protone. È un modello per il comportamento degli elettroni mancanti.
• Pensare che la regione di svuotamento sia spazio vuoto. È soprattutto una regione con pochissimi portatori mobili e molti droganti ionizzati fissi.
• Supporre che la polarizzazione inversa significhi corrente esattamente nulla. I dispositivi reali di solito hanno una piccola perdita, e una tensione inversa sufficientemente alta può cambiare completamente il comportamento.
• Memorizzare "diretta bene, inversa male" senza seguire che cosa accade alla barriera e al moto dei portatori.

Dove si usano le giunzioni PN e i semiconduttori

I semiconduttori compaiono ovunque serva un comportamento elettrico controllato invece della semplice conduzione metallica. Le giunzioni PN sono alla base dei diodi raddrizzatori, dei LED, dei fotodiodi, delle celle solari e di gran parte della progettazione dei transistor.

Una volta che tipo p, tipo n e regioni di svuotamento diventano chiari, molte idee dell'elettronica risultano meno misteriose. Un transistor non è più solo un simbolo di circuito. Diventa una struttura che controlla il flusso dei portatori modellando regioni semiconduttrici e campi elettrici.

Prova un caso simile

Prova una tua versione con un LED o una cella solare. Fai le stesse domande nello stesso ordine: dove sono i portatori maggioritari, quale campo esiste alla giunzione e che cosa cambia quando applichi polarizzazione diretta, polarizzazione inversa o luce.