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La Teoria delle Bande: una visione approfondita sulle proprietà elettriche dei materiali

La teoria delle bande fornisce una spiegazione dettagliata sulle proprietà elettriche dei vari materiali come metalli, leghe, isolanti e semiconduttori. Questa teoria si basa su due fondamentali concetti: la banda di valenza e la banda di conduzione.

La Banda di Valenza e la Banda di Conduzione

La banda di valenza è determinata dall’interazione degli orbitali atomici di valenza degli atomi costituenti il materiale. A seconda della natura del materiale, questa banda può essere parzialmente o completamente riempita di elettroni. D’altra parte, la banda di conduzione deriva dall’interazione degli orbitali atomici con un’energia più alta, rispetto agli orbitali di valenza, formando una banda con energia superiore. Solitamente, la banda di conduzione è vuota, provenendo da orbitali atomici che di norma non contengono elettroni.

Differenze tra Bande di Energia e loro Ruolo nei Materiali

Le due bande di energia possono essere contigue o separate da una zona proibita detta gap di energia. Nel primo caso, il passaggio degli elettroni da una banda all’altra è agevolato, mentre nel secondo caso è difficile. Questa distinzione è cruciale, ad esempio per la conduzione elettrica nei materiali.

Bande Adiacenti: Caratteristiche e Applicazioni

Nei conduttori, la banda di valenza può essere parzialmente sovrapposta alla banda di conduzione, a causa del basso numero di elettroni di valenza presenti negli elementi metallici. Anche se la banda di valenza potrebbe essere totalmente occupata, la sua adiacenza alla banda di conduzione favorisce la conducibilità dei metalli.

Bande Separate: Isolanti vs Semiconduttori

Nei materiali isolanti e nei semiconduttori, esiste un gap di energia che separa la banda di valenza, completamente occupata, dalla banda di conduzione, vuota. Questa separazione è responsabile delle differenze nei comportamenti elettrici di questi materiali. Negli isolanti, il gap di energia è maggiore rispetto ai semiconduttori.

In conclusione, la comprensione delle bande di energia nei materiali è fondamentale per comprendere le loro proprietà elettriche e il loro comportamento in diverse applicazioni industriali e tecnologiche.

Conduttori Semiconduttori e il ruolo del campo elettrico

Quando un campo elettrico viene applicato a un conduttore semiconduttore, gli elettroni nella banda di valenza possono essere spostati nella banda di conduzione, superando il gap di energia grazie all’energia del campo elettrico e alla temperatura crescente.

Ruolo dell’energia cinetica degli elettroni

L’aumento dell’energia cinetica degli elettroni facilita il superamento della barriera di energia tra le due bande nel semiconduttore. Questo processo spiega il motivo per cui la conducibilità dell’elettricità nei semiconduttori aumenta con l’aumentare della temperatura, a differenza di quanto accade nei metalli.

Ricerca Nobel e Semiconduttori

Il fisico statunitense William Bradford Shockley ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 1950 insieme a John Bardeen e Walter Houser Brattain per le loro ricerche sui semiconduttori.

Esempi di Semiconduttori

Il germanio e il silicio sono esempi di semiconduttori classificati nel Gruppo 14 del Sistema Periodico. La conduttività di questi materiali aumenta drasticamente con l’aggiunta di impurezze come fosforo o boro.

Drogaggio

Nel processo di drogaggio, ad esempio, il silicio può essere “drogato” con atomi di boro che hanno un orbitale di valenza vuoto in più. Questo aggiustamento consente un controllo più preciso della conduttività del semiconduttore.

La struttura delle bande nei semiconduttori

Nei semiconduttori, tra la banda di valenza e quella di conduzione si trova la banda formata dagli orbitali vuoti degli atomi di boro. L’energia termica a temperatura ambiente può eccitare gli elettroni dalla banda di valenza a quella delle impurezze, facilitando la conduzione a causa della banda di valenza incompletamente occupata. Esempi di semiconduttori per impurità di tipo p sono il silicio drogato con boro e il germanio con indio, dove la conduzione derivata da cavità o lacune positive nella banda di valenza.

Conduzione e impurità nei semiconduttori

La conduzione nei semiconduttori di tipo n e di tipo p aumenta con la concentrazione delle impurezze, ma oltre una certa soglia di impurità la struttura delle bande dell’elemento base può subire modifiche.

Semiconduttori e temperatura

L’aumento della temperatura contribuisce all’aumento della conduzione nei semiconduttori, in quanto comporta una maggiore presenza di elettroni nella banda di conduzione per i semiconduttori di tipo n e di buche positive nella banda di valenza per i semiconduttori di tipo p.

L’utilizzo della giunzione p-n

Uno degli utilizzi più comuni dei semiconduttori è legato alle proprietà elettriche della giunzione p-n. Questa giunzione si forma nel caso di un cristallo di silicio drogato parzialmente con fosforo e parzialmente con boro. Una metà del cristallo diviene un semiconduttore di tipo n, contenente elettroni mobili, mentre l’altra metà un semiconduttore di tipo p, con cariche positive mobili. La giunzione n-p crea una barriera di potenziale che previene la diffusione di elettroni e cariche positive al di fuori delle rispettive regioni n e p.

La complessità delle proprietà dei semiconduttori apre la strada a numerosi utilizzi e applicazioni in diversi settori dell’ingegneria e dell’elettronica.