Ingegneria caratteristiche elettriche materiali

Caratteristiche elettriche dei materiali più utilizzati in campo elettrico ed elettronico

Dal punto di vista della conduttività (o conducibilità) cioè della capacità di lasciarsi attraversare dalla corrente elettrica i materiali possono essere divisi in:

• conduttori – a conduttività elevata
• isolanti (dielettrici) – a conduttività molto bassa
• semiconduttori – a conduttività intermedia tra i precedenti

L'abilità di lasciarsi attraversare o meno dalla corrente elettrica dipende soprattutto dal legame chimico che caratterizza i materiali e dal conseguente numero di cariche elettriche (detti portatori – carrier) disponibili.
Dalle nostre nozioni di chimica possiamo affermare (in modo un po' sbrigativo) che nei materiali, a differenza degli atomi isolati, gli elettroni che ruotano attorno al nucleo possono far parte di due bande di energia: quella di valenza e quella di conduzione. La prima banda comprende elettroni impegnati a “tenere insieme” la struttura, la seconda quelli liberi di muoversi nel materiale (perciò potenziali “portatori” di carica elettrica).
Nei conduttori il legame metallico è caratterizzato dalla sovrapposizione della banda di valenza con quella di conduzione perciò la circolazione dei portatori (corrente elettrica) è ottenuta con l'applicazione di campi elettrici esterni modesti.
Negli isolanti invece le due bande sono separate e la totalità degli elettroni in condizioni normali è nella banda di valenza (legame covalente). L'energia necessaria per portare gli elettroni nella banda di conduzione è molto elevata. Quindi non ci sono portatori liberi e pertanto la corrente elettrica non circola (continuando ad aumentare l'energia fornita ad un certo punto il materiale perde le sue caratteristiche di isolante in modo brusco e spesso degenerativo).    
Infine i semiconduttori sono caratterizzati anch'essi dal legame covalente con una importantissima differenza: l'energia necessaria per far passare elettroni dalla banda di conduzione a quella di valenza è notevolmente inferiore.
In assenza di energia applicata al materiale (ad es. in prossimità di 0 °K) un materiale semiconduttore è comunque un perfetto isolante.
Via via che cresce l'energia termica dell'ambiente circostante ci sono elettroni che passano nella banda di conduzione e quindi il materiale diventa più conduttore.
Se facciamo riferimento al silicio, il materiale semiconduttore più utilizzato, possiamo notare che è caratterizzato da un reticolo cristallino la cui cella elementare è un tetraedro regolare (piramide a base equilatera) ai cui vertici stanno quattro atomi di silicio. Ogni atomo ha quattro elettroni di valenza ognuno dei quali si lega con altri elettroni di atomi adiacenti. Per comodità anche se il legame è spaziale si rappresenta sul piano come in figura:

 

 

 

 

 

 

E' evidente che la figura mostra il caso in cui tutti gli elettroni sono impegnati nella banda di valenza e perciò il materiale in questo caso è un isolante (a 0 °K come già detto).
Se però si fornisce energia termica o luminosa sufficiente si può verificare il caso in cui alcuni elettroni rompono i legami covalenti e passano nella banda di conduzione. In questo caso si ha la creazione di due cariche elettriche: l'elettrone nella banda di conduzione (carica elementare negativa) e l'insieme del nucleo e degli elettroni rimanenti in banda di conduzione (carica elettrica positiva di pari valore) detta lacuna (hole). Naturalmente il materiale complessivamente è neutro ma sono state create localmente due cariche di segno opposto (una coppia elettrone-lacuna).
All'aumentare dell'energia fornita al materiale perciò ci sono sempre più coppie elettrone-lacuna. Se il materiale viene inserito in un circuito elettrico chiuso che comprende una f.e.m. esterna si può verificare che circola una debole corrente elettrica che dipende dall'energia fornita. A differenza dei conduttori la corrente elettrica è dovuta a due flussi discordi di cariche elettriche di segno opposto che contribuiscono egualmente alla sua intensità. Un'altra differenza sta nel fatto che con l'aumentare della temperatura, nei conduttori la conducibilità si riduce per effetto dell'agitazione termica degli elettroni liberi che “disturba” il moto ordinato degli elettroni sottoposti al campo elettrico della f.e.m. applicata.
Nei semiconduttori invece accade l'opposto. Più è alta la temperatura e più si liberano coppie elettrone-lacuna, quindi la corrente elettrica aumenta. In verità questo fenomeno non continua per sempre. Ad un certo punto si verifica  la riduzione della conducibilità anche nei semiconduttori. In questo caso interviene un altro fenomeno, quello della vibrazione reticolare che come l'agitazione termica riduce di fatto la mobilità degli elettroni nel materiale.
Se escludiamo l'uso come generatore fotovoltaico (pannello solare) che al momento non è di ns. interesse, l'impiego del semiconduttore puro (detto intrinseco) è limitato ai trasduttori (sensori) di temperatura e di intensità luminosa. (Un trasduttore è un dispositivo che converte una grandezza fisica in una elettrica per poterla misurare più facilmente).

Il Drogaggio dei semiconduttori

Il drogaggio (doping) dei semiconduttori consiste nella modifica delle proprietà elettriche del materiale intrinseco mediante introduzione di materiale drogante (detto impurezza o impurità). Il semiconduttore diventa estrinseco. Facendoriferimento in particolare al silicio che appartiene al 4° gruppo della tavola periodica, se si inseriscono atomi di elementi del 3° gruppo (ad es. Alluminio, Boro, Indio) si dice che il drogaggio è di tipo p  (gli atomi inseriti si dicono accettori).

 

 

 

 

 

 

 

L'introduzione di un atomo di alluminio ha creato artificialmente una lacuna dato che c'è un legame insaturo dovuto al fatto che l'alluminio ha tre elettroni di valenza soltanto. E' possibile una conduzione per lacune dato che un elettrone di valenza può occupare il “buco” lasciandone però un altro dove era precedentemente. Quindi lo spostamento di un elettrone di valenza corrisponde allo spostamento in direzione opposta di una lacuna.
Se invece inseriamo elementi del 5° gruppo (ad es. fosforo, antimonio) detti atomi donatori, la situazione diventa:

 

 

 

 

 

 

 

 

In questo caso si è creato artificialmente un elettrone libero che non è impegnato nel legame covalente. Questo elettrone è in banda di conduzione quindi ha un livello energetico superiore alla lacuna precedente. Questo drogaggio si definisce di tipo n.
Concludendo, il drogaggio di un semiconduttore rende il materiale più conduttivo in modo artificiale. Non bisogna dimenticarsi che il fenomeno della generazione delle coppie elettrone-lacuna, dovuto all'energia ambientale è ancora presente, solo che la concentrazione delle cariche elettriche artificiali è preponderante. Nel tipo p ci sono molte lacune libere (detti portatori maggioritari) e pochi elettroni liberi (portatori minoritari). Nel tipo n è l'opposto, ovvero molti elettroni liberi (p. maggioritari) e poche lacune (p. minoritari).
Il drogaggio può essere ottenuto in modi diversi. Quello più importante è la diffusione che consiste nello sfruttamento di una proprietà dei materiali  allo stato gassoso che in condizioni particolari tendono ad entrare nei materiali solidi. Ad esempio, facendo circolare alluminio allo stato gassoso sopra una faccia di un parallelepipedo di silicio per un tempo opportuno e ad una temperatura elevata si può riscontrare che nello strato superficiale del silicio vengono intrappolati atomi di alluminio.
I semiconduttori drogati di un solo tipo sono utilizzati nel campo applicativo, come quelli puri, in modo limitato e per gli stessi scopi.

La Giunzione pn     

Molto più interessante dal punto di vista applicativo è il dispositivo che si ottiene accostando “idealmente” due zone drogate in modo opposto. Al dispositivo si dà il nome di giunzione pn. Le due zone sono caratterizzate dal passaggio brusco da un tipo di drogaggio all'altro. Questa condizione è impossibile da ottenere praticamente. Le giunzioni che si avvicinano a questa caratteristica si dicono a gradino; quelle che si ottengono modificando la concentrazione gradualmente da un tipo all'altro si dicono lineari.
Se esaminiamo la concentrazione dei portatori ai lati opposti della giunzione (la linea verticale che idealmente separa la zona n da quella p) vediamo che da una parte c'è abbondanza di lacune, dall'altra di elettroni. Il dispositivo, tendendo ad una situazione stabile, inizialmente sarà attraversato da due flussi opposti di portatori che cercheranno di equilibrare la differenza di concentrazione. E' un fenomeno simile a quello che si riscontra nei gas in pressione contenuti in una bombola. Il gas fuoriesce finché la composizione gassosa e la pressione dentro e fuori la bombola   sono uguali. Qui però le particelle che si muovono sono cariche elettriche che spostandosi lasciano sul posto cariche di segno opposto. In particolare, per ogni lacuna che lascia la zona p rimane uno ione fisso negativo e viceversa, per ogni elettrone che lascia la zona n rimane uno ione fisso positivo. Queste schiere di cariche opposte si fronteggiano dai lati opposti della linea di giunzione  e  rendono via via più difficoltosa la migrazione degli altri portatori.
Quindi, a differenza dell'esempio citato del gas nella bombola, non si arriva ad avere una distribuzione omogenea di portatori nell'intero materiale bensì il fenomeno della migrazione riguarda una zona ristretta a cavallo della giunzione che prende il nome di zona di svuotamento (depletion layer) dato che è priva di cariche libere (è fatta di ioni affacciati di carica opposta).

       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nella terza figura il fenomeno transitorio della migrazione di portatori è terminato. Ai capi della zona di svuotamento si viene a creare un campo elettrico (Barriera di potenziale) che si oppone al passaggio di altri portatori. Il fenomeno è avvenuto senza applicare nessuna f.e.m. esterna cioè nessuna polarizzazione (no biasing)

Giunzione pn in polarizzazione diretta (forward biasing)

Si polarizza direttamente una giunzione pn quando si applica una f.e.m. esterna con morsetto positivo verso la zona p, in un circuito chiuso comprendente anche una resistenza elettrica ed uno strumento per rilevare il passaggio di corrente (amperometro)
Supponiamo che la f.e.m. esterna sia variabile. Via via che si aumenta la tensione, il campo elettrico  esterno opposto alla barriera di potenziale cresce. Ad un certo punto esso supera quello interno. Il fenomeno che abbiamo descritto prima cioè la corrente di diffusione dovuta alle lacune che da p vanno in n e agli elettroni che da n vanno in p riprende e l'amperometro segnala questa circolazione. E' necessario però superare un valore minimo di tensione detto di soglia (per il silicio si assume circa 0,7 V, per il germanio 0,2 V) affinché questo fenomeno si verifichi. La corrente poi sale ed è vincolata praticamente solo dai parametri esterni dato che la tensione ai capi della giunzione sale di pochi decimi di volt. La corrente circolante internamente alla giunzione pn è dovuta sia alle lacune sia agli elettroni. Se la concentrazione del drogaggio delle due zone è la stessa (molto difficile da ottenere e non necessario) la corrente è fatta metà di lacune e metà di elettroni. Le lacune che passano nella zona n trovano abbondanza di elettroni perciò via via che penetrano nella zona si ricombinano; ad una certa distanza dalla giunzione perciò la concentrazione di lacune nella zona n è pari a quella in assenza di polarizzazione (cioè dei portatori minoritari). Lo stesso si verifica per gli elettroni nella zona n. Fuori dalla giunzione pn nei conduttori di collegamento, nella f.e.m. e nella resistenza la corrente è fatta solo da elettroni.

Giunzione pn in polarizzazione inversa (reverse biasing)             

In questo caso si invertono le polarità della f.e.m. esterna. Stavolta il campo elettrico applicato alla giunzione pn è concorde con la barriera di potenziale quindi la corrente di diffusione (quella dei portatori maggioritari) è bloccata. Bisogna però osservare che nelle due zone sono presenti seppur in numero esiguo i portatori minoritari. Il loro movimento (elettroni da zona p a zona n e lacune da zona n a zona p) è agevolato dal verso del campo elettrico applicato quindi si nota una debole corrente che circola in senso opposto a quello della polarizzazione diretta. L'ordine di grandezza di  questa corrente detta di saturazione inversa  è del nanoampere per il Si e del microampere per il Ge. Questa corrente (detta di deriva drift) è presente anche in polarizzazione diretta e si oppone a quella di diffusione, ma è talmente inferiore che è stata trascurata. Essa dipende fortemente dalla temperatura. Un legame empirico tra intensità di corrente e temperatura è questo: la corrente di saturazione inversa raddoppia ogni aumento di dieci gradi della temperatura.

Diodo a semiconduttore

La giunzione pn incapsulata in un materiale isolante (di solito plastica o vetro) e collegata esternamente con due reofori prende il nome di diodo a semiconduttore (o a giunzione). Il nome deriva dal comportamento non lineare (conduzione asimmetrica con polarizzazione opposta) sostanzialmente simile a quella del diodo a vuoto (un tubo termoionico – valvola). Il principio di funzionamento è completamento diverso ma le caratteristiche di funzionamento esterne sono analoghe. Sempre da questa analogia deriva la denominazione di anodo (A) e catodo (K) dei due reofori del diodo a semiconduttore che più correttamente andrebbero denominati rispettivamente p ed n.

Effetto valanga (breakdown) in un diodo polarizzato inversamente  

Aumentando la d.d.p. della f.e.m. esterna applicata ad un diodo polarizzato inversamente si verifica ad un certo punto l'effetto valanga che può portare anche alla rottura del dispositivo.
Questo effetto si può spiegare in questo modo: il campo elettrico applicato ai pochi portatori minoritari in movimento li accelera talmente che nel loro moto vanno ad urtare elettroni di valenza liberandoli. Se l'energia trasmessa a questi nuovi portatori è tale che a loro volta ne riescono a liberare altri il fenomeno (anche chiamato ionizzazione per urto) può diventare incontrollabile (come si verifica per una valanga nel caso di neve); la corrente sale talmente che se non limitata da parametri esterni al diodo ne provoca la rottura. Nei diodi raddrizzatori (rectifier) quelli cioè realizzati per lasciarsi attraversare dalla corrente diretta e bloccare quella inversa la tensione di breakdown deve essere superiore a quella massima di esercizio e può arrivare anche a migliaia di volt.
Vedremo successivamente che sono stati realizzati diodi che lavorano in questa zona che pertanto in questi casi non sarà pericolosa per il loro buon funzionamento.

 

Caratteristica statica Tensione – Corrente del diodo   

 

 

 

 

 

 

 

Questo grafico detto “caratteristica statica tensione corrente” del diodo a semiconduttore rappresenta il legame tra la tensione ai capi del diodo e la corrente che lo attraversa. Nel 1° quadrante si ha la polarizzazione diretta e superata la tensione di soglia la corrente sale molto rapidamente fino a raggiungere il valore massimo indicato sul databook di ogni componente commerciale. Nel 3° quadrante invece la corrente di saturazione inversa è il valore di corrente prima di arrivare al “ginocchio” dove la curva diventa molto ripida in corrispondenza della tensione di breakdown.