I semiconduttori intrinseci sono materiali puri che non sono soggetti a drogaggio intenzionale. Essi consistono generalmente da un unico tipo di atomo, come il silicio o il germanio. Gli atomi presenti nei semiconduttori intrinseci possiedono quattro elettroni nella loro orbita esterna, i quali sono condivisi con gli atomi vicini, formando quattro legami covalenti. Questo consente a ogni atomo di conseguire una stabilità assoluta con otto elettroni nel suo guscio più esterno.
Caratteristiche e Comportamento
Indice Articolo
A temperatura ambiente, la quantità di portatori di carica eccitati termicamente nei semiconduttori puri è piuttosto esigua. In condizioni normali, gli elettroni e le lacune libere sono presenti in quantità equivalenti. spesso, la concentrazione di portatori di carica è inferiore di diversi ordini di grandezza rispetto a un conduttore metallico.
Un esempio significativo è il silicio, il quale presenta un numero di elettroni eccitati termicamente pari a 1.5 · 1010 per centimetro cubico a 298 K, mentre l’arseniuro di gallio registra solo 1.1 · 106 elettroni per centimetro cubico. Questi dati sono impressivi se confrontati con la densità di elettroni liberi tipica di un metallo, che si aggira attorno a 1028 elettroni per centimetro cubico.
Alla luce di tali dati, non sorprende che il silicio e altri semiconduttori presentino elevata resistività elettrica e limitata conduttività quando sono estremamente puri. Tuttavia, è possibile migliorare questa situazione attraverso il drogaggio con impurità. Piccole percentuali di atomi di impurità, anche solo 0.0001%, possono provocare notevoli variazioni nella conduttività del semiconduttore.
Il Ruolo del Gap di Banda
Nei semiconduttori intrinseci, il gap energetico Eg separa la banda di valenza dalla banda di conduzione e determina l’energia minima necessaria affinché gli elettroni possano transitare da una banda all’altra. Questo gap di banda consente l’interazione energetica fondamentale che caratterizza il comportamento elettrico del materiale. Nei semiconduttori intrinseci, il gap tende ad essere relativamente piccolo, permettendo così agli elettroni di muoversi facilmente dalla banda di valenza a quella di conduzione in seguito a stimoli termici o applicazioni di energia esterna.
In condizioni di zero assoluto, questi materiali si comportano come isolanti, poiché la banda di valenza è completamente riempita e la banda di conduzione è vuota. Con l’aumento delle temperature, gli elettroni acquisiranno energia termica sufficiente per superare il band gap, generando coppie di elettroni-lacuna. Questo trasferimento di portatori di carica consente la formazione di un flusso di corrente attraverso il materiale. Nella situazione ideale di semiconduttori intrinseci, la concentrazione di elettroni nella banda di conduzione coincide con quella delle lacune nella banda di valenza.
La concentrazione intrinseca dei portatori, che rappresenta il numero di elettroni nella banda di conduzione e il numero di lacune nella banda di valenza, è fortemente influenzata dal gap di banda e dalla temperatura del materiale. Essa è calcolata mediante apposita equazione.
Variabile chiave in questo contesto è la temperatura; all’aumentare di essa, vi è un incremento esponenziale della concentrazione intrinseca dei portatori, grazie alla maggiore disponibilità di elettroni capaci di superare il band gap. Inoltre, il livello di Fermi nei semiconduttori intrinseci si trova solitamente in posizione intermedia rispetto ai bordi delle bande di conduzione e di valenza, ma la sua localizzazione esatta è influenzata dalla densità degli stati nelle diverse bande.
Infine, i semiconduttori intrinseci possono essere modificati electricamente attraverso processi di drogaggio, inserendo impurità nel reticolo cristallino, da cui si origina un incremento della conduttività e una variazione significativa del comportamento elettrico.
