I semiconduttori estrinseci, conosciuti anche come semiconduttori dopati, sono materiali semiconduttori che vengono opportunamente trattati con impurità per migliorare la loro conduttività elettrica. Questa necessità di creare semiconduttori estrinseci deriva dal fatto che, nella maggior parte dei semiconduttori intrinseci a temperatura ambiente, il numero di portatori di carica eccitati termicamente risulta molto limitato.
Comportamento dei semiconduttori
La concentrazione di portatori di carica in semiconduttori intrinseci può essere di ordini di grandezza inferiori rispetto a quella riscontrata in conduttori metallici. Ad esempio, nel silicio a 298 K si osserva una densità di elettroni eccitati termicamente pari a 1.5 · 1010 cm-3, mentre un metallo tipico può presentarne circa 1028 elettroni cm-3.
Quando i semiconduttori, come il silicio, sono estremamente puri, possiedono un’elevata resistività elettrica, a fronte di una bassa conduttività. Per affrontare questo problema, è utile drogare un semiconduttore con impurità, rendendolo quindi estrinseco. Sorprendentemente, anche piccole percentuali di impurità, come lo 0.0001%, possono alterare notevolmente la conduttività di un semiconduttore. Si distinguono così i semiconduttori estrinseci di tipo n, che hanno elettroni liberi, e di tipo p, nei quali predominano lacune di elettroni.
Le origini dei semiconduttori estrinseci
I semiconduttori estrinseci devono gran parte della loro comprensione e sviluppo agli studi condotti nel 1947 da John Bardeen, Walter H. Brattain e William B. Shockley, i quali sono stati insigniti del Premio Nobel per la fisica nel 1956 per il loro lavoro su questi materiali.
Un semiconduttore di tipo n viene creato drogando un materiale semiconduttore puro, come silicio o germanio, con un elemento donatore di elettroni appartenente al gruppo 15, come il fosforo o l’arsenico. Tali elementi contengono cinque elettroni di valenza e, quando si integrano nella rete cristallina, formano quattro legami covalenti con il silicio o il germanio, lasciando un elettrone libero.
Questo elettrone diventa mobile e quindi i semiconduttori di tipo n, caratterizzati da una maggiore disponibilità di elettroni liberi rispetto alle lacune, presentano un band gap posizionato appena sotto la banda di conduzione. Essendo gli elettroni i portatori di carica, questo materiale viene definito semiconduttore di tipo negativo.
Al contrario, i semiconduttori di tipo p si ottengono drogando un semiconduttore intrinseco con impurità del gruppo 13, come il boro, che presenta tre elettroni di valenza. In questo caso, il doping crea delle lacune poiché manca un elettrone, che viene rapidamente sostituito da elettroni circostanti, portando alla formazione di portatori di carica positivi. Questo fenomeno genera un eccesso di lacune, mentre il livello Fermi si sposta verso il basso, dimostrando la predominanza della conduttività positiva in questi materiali.
Esistono vari metodi utilizzati per il doping dei semiconduttori intrinseci. Tra questi, l’impiantazione ionica, la diffusione e la crescita epitassiale, ciascuno con vantaggi e limitazioni proprie. L’impiantazione ionica utilizza ioni ad alta energia per creare un profondità controllata di doping, mentre la diffusione prevede il riscaldamento del semiconduttore in presenza di atomi dopanti. Infine, la crescita epitassiale consente di depositare film sottili di materiale dopato su substrati, garantendo un elevato controllo sulla distribuzione del dopante.
