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Conduttori, isolanti e semiconduttori


La teoria delle bande fornisce una esauriente interpretazione delle proprietà elettriche dei conduttori ( metalli e leghe), degli isolanti ( non metalli) e dei semiconduttori (semimetalli). A tal fine rivestono notevole importanza due bande di energia: la banda di valenza e la banda di conduzione. La banda di valenza è quella che prende origine dall’interazione degli orbitali atomici di valenza degli atomi che costituiscono il materiale: metallo, isolante, semiconduttore. Essa, in dipendenza dalla natura del materiale, può essere completamente oppure parzialmente riempita di elettroni. La banda di conduzione è quella che prende origine dall’interazione degli orbitali atomici caratterizzati da energia più elevata di quella degli orbitali atomici di valenza degli atomi che costituiscono il cristallo, e pertanto l’energia di questa banda è maggiore dell’energia della banda di valenza. La banda di conduzione, a differenza della banda di valenza, è normalmente vuota in quanto essa prende origine da orbitali atomici che di norma non ospitano elettroni.

Queste due bande di energia, in dipendenza della reciproca posizione degli atomi che costituiscono il cristallo possono:

-          Essere adiacenti o addirittura parzialmente sovrapposte; in questo caso è molto facile lo scorrimento degli elettroni da una banda all’altra

-          Essere separate da una zona proibita di energia denominata gap di energia: in questo caso è molto difficile lo scorrimento degli elettroni da una banda all’altra.

Il primo caso, indipendentemente dal non completo o completo riempimento della banda di valenza, è tipico dei materiali conduttori: infatti stante il limitato numero di elettroni di valenza degli atomi degli elementi metallici, è molto frequente il caso in cui la banda di valenza dei metalli non è completamente riempita di elettroni, oppure, ove si fosse verificato il completo riempimento della banda di valenza, in conseguenza della struttura cristallina compatta dei metalli accade che la banda di valenza, sebbene completamente riempita di elettroni, è adiacente o addirittura parzialmente sovrapposta a quella di conduzione.

Pertanto, se alle due estremità libere di un filo metallico viene applicato un campo elettrico, accade che se la banda di valenza è parzialmente riempita di elettroni, diventa essa stessa banda di conduzione. Infatti, gli elettroni in essa contenuti, possono essere facilmente promossi sui livelli energetici della stessa banda, e il movimento di questi  elettroni, detti elettroni di conduzione genera un flusso di corrente elettrica nell’interno del filo metallico. Ovviamente il medesimo risultato si ottiene se la banda di valenza, completamente riempita, è adiacente o parzialmente sovrapposta alla banda di conduzione: gli elettroni, infatti non trovano alcun impedimento per poter scorrere dalla banda di valenza (piena) a quella di conduzione (vuota). In questo modo viene anche spiegato il motivo per il quale un aumento di temperatura provoca la diminuzione della conduzione elettrica dei metalli: l’aumento di temperatura, infatti, incrementa le oscillazioni dei cationi del metallo che formano l’edificio cristallino, e pertanto viene ostacolato, nell’ambito della stessa banda o delle due bande ( valenza e conduzione), il libero flusso di elettroni.

Il secondo caso, in cui le due bande, quella di valenza completamente piena di elettroni e quella di conduzione (vuota) sono separate da un gap di energia, è invece quello tipico degli isolanti e dei semiconduttori. Con questa sostanziale differenza però: mentre negli isolanti la banda di valenza è separata da quella di conduzione da un gap di energia il cui ammontare è di qualche elettronvolt per mole di elettroni, nei semiconduttori il gap di energia fra le due bande è minore di un elettronvolt per mole di elettroni. Pertanto, se alle due estremità libere di un materiale cristallino isolante viene applicato un campo elettrico, gli elettroni della banda di valenza non possono essere promossi sui livelli energetici appartenenti alla medesima banda, in quanta essa è completamente riempita; né tantomeno essi possono essere promossi sui livelli energetici della banda di conduzione, in quanto l’energia del campo elettrico applicato non è sufficiente per vincere il gap di energia proibita che divide le due bande. Il risultato è pertanto un non flusso di corrente elettrica nell’interno del materiale isolante.

E’ bene sottolineare che negli isolanti non può essere verificata l’adiacenza o la parziale sovrapposizione della banda di valenza con quella di conduzione. Infatti, questi materiali sono caratterizzati da una struttura cristallina che non è quella compatta tipica dei metalli. Per esempio nel diamante, la struttura covalente è energeticamente più stabile di quella cristallina compatta.

Infine, se alle due estremità libere di un materiale cristallino semiconduttore puro viene applicato un campo elettrico, accade che gli elettroni della banda di valenza completamente piena possono essere promossi in quella di conduzione vuota, in quanto l’energia del campo elettrico applicato è sufficiente a vincere il gap di energia esistente tra le due bande, e ciò tanto più facilmente, quanto più elevata è la temperatura.

Questo perché, a parità di campo elettrico applicato, tanto maggiore è l’energia cinetica degli elettroni, tanto maggiore è la facilità con cui essi possono superare la barriera di energia, relativamente piccola, esistente tra le due bande. In questo modo viene spiegato anche il perché nei semiconduttori, a differenza di quanto si verifica nei metalli la conduzione dell’elettricità aumenta all’aumentare della temperatura.

Tipici semiconduttori sono il germanio e il silicio ( classificati nel IV gruppo del Sistema Periodico) i quali, sebbene siano caratterizzati da una struttura cristallina covalente simile a quella del diamante e quindi relativamente poco compatta, tendono ad assumere strutture cristalline compatte come quelle dei metalli in quanto, per questi due elementi, la differenza di energia fra le due strutture cristalline è di poco diversa.

L’attitudine dei semiconduttori a trasportare la corrente elettrica si può accrescere anche aggiungendo elettroni alla banda di conduzione o allontanandone alcuni dalla banda di valenza. Tale modificazione si realizza per via chimica mediante il drogaggio del solido, cioè aggiungendovi piccole quantità di impurezze. Ad esempio al silicio che possiede quattro elettroni di valenza si può aggiungere una piccolissima quantità di arsenico che possiede cinque elettroni di valenza. Gli elettroni in più accedono alla superiore banda di conduzione, normalmente vuota del silicio rendendo il solido conduttore.

Drogando il silicio con l’indio il solido avrà meno elettroni di valenza del silicio puro e la banda di valenza non sarà più completa, ma conterrà lacune e, non essendo più completa essa si è tramutata in banda di conduzione.

Le bande di valenza e di conduzione dei conduttori, semiconduttori e isolanti sono mostrate in figura:

chimica fisica

Autore: Chimicamo

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