Semiconduttori estrinseci

I semiconduttori estrinseci, detti anche semiconduttori dopati, sono semiconduttori intenzionalmente drogati con impurità per migliorarne la conduttività elettrica. L’esigenza di ottenere semiconduttori estrinseci nasce dal fatto che nella maggior parte dei semiconduttori intrinseci a temperatura ambiente, la popolazione di portatori di carica eccitati termicamente è molto piccola.

Spesso la concentrazione dei portatori di carica può essere di diversi ordini di grandezza inferiore rispetto a quella di un conduttore metallico. Ad esempio, il numero di elettroni eccitati termicamente nel silicio a 298 K è 1.5 · 10¹⁰ cm^-3 mentre in un metallo tipico è dell’ordine di 10 ²⁸ elettroni cm ^–3.

Quando sono estremamente puri, il silicio e altri semiconduttori hanno quindi elevata resistività elettrica e quindi bassa conduttività elettrica. Questo problema può essere superato drogando un materiale semiconduttore con impurità per ottenere i semiconduttori estrinseci. Anche piccole aggiunte di impurità al livello dello 0.0001 % possono infatti apportare grandi differenze alla conduttività di un semiconduttore. A seconda del tipo di impurità i semiconduttori estrinseci sono classificati in semiconduttori di tipo n e di tipo p.

I semiconduttori estrinseci, che hanno proprietà elettriche che possono essere variate in un intervallo estremamente ampio mediante l’aggiunta di minuscole quantità di altri elementi traggono origine dagli studi effettuati nel 1947 da parte di John Bardeen, Walter H. Brattain e William B. Shockley che vinsero il Premio Nobel per la fisica nel 1956.

Semiconduttori estrinseci di tipo n

Un semiconduttore di tipo n si ottiene quando un semiconduttore puro come silicio e germanio viene drogato con un elemento donatore di elettroni del gruppo 15 come fosforo, arsenico, antimonio e bismuto. I semiconduttori intrinseci come silicio e germanio hanno rispettivamente configurazione elettronica [Ne] 3s²3p² e [Ar] 3d¹⁰4s²4p² e presentano quattro elettroni di valenza.

Gli elementi del gruppo 15 hanno una configurazione elettronica terminale del tipo ns²np³ ed hanno quindi cinque elettroni di valenza. Tali elementi si inseriscono nel reticolo formando 4 legami covalenti con il silicio o il germanio e rimane un elettrone non legato che è libero di muoversi.

Un tale tipo di semiconduttore, detto di tipo n possiede elettroni liberi e il numero di elettroni liberi è molto più alto del numero di lacune. I semiconduttori estrinseci hanno un proprio band gap che si trova appena al di sotto alla banda di conduzione.

Poiché gli elettroni che hanno carica negativa sono coinvolti nel trasferimento di carica attraverso questo semiconduttore, viene definito semiconduttore di tipo negativo o di tipo n. Si noti che, sebbene ci siano elettroni liberi nel cristallo, è comunque elettricamente neutro poiché il numero totale di protoni e il numero totale di elettroni sono uguali.

Il livello Fermi non è più situato a metà del gap di energie proibite, ma è spostato verso l’alto, cioè verso la banda di conduzione.  Ciò significa che a temperatura ambiente gli elettroni possono saltare facilmente nella banda di conduzione sotto l’azione di un campo elettrico.

Semiconduttori estrinseci di tipo p

Un semiconduttore di tipo p si ottiene quando un semiconduttore intrinseco viene drogato con un elemento donatore di elettroni del gruppo 13 come boro, alluminio e gallio che hanno una configurazione elettronica terminale del tipo ns²np¹ ed hanno quindi tre elettroni di valenza.

Tuttavia avendo un elettrone in meno si forma un buco positivo o lacuna di elettroni che prende elettroni dagli atomi circostanti in modo da riempire la lacuna elettronica ma creandone un’altra. Gli elettroni che passano da un buco all’altro hanno un’energia di poco superiore alla banda di valenza

In questo caso l’impurità genera livelli energetici vuoti nella banda di valenza, cioè si ha un certo numero di lacune in assenza di eccitazione termica. Si ha dunque un eccesso di portatori di carica positivi e per questo il semiconduttore si dice di tipo p e il livello Fermi si sposta verso il basso. Poiché il flusso di corrente attraverso il cristallo avviene tramite le lacune, che sono portatori di carica positiva, questo tipo di conduttività è noto come conduttività positiva o di tipo p.

Metodi di dopaggio

Per introdurre i dopanti nei semiconduttori intrinseci e renderli semiconduttori estrinseci sono impiegati diversi metodi, ciascuno dei quali ha i suoi vantaggi e limiti.

1.Impiantazione ionica

L’impiantazione ionica è una tecnica ampiamente utilizzata per il drogaggio preciso e controllato dei semiconduttori al fine di ottenere semiconduttori estrinseci.  In questo metodo, gli ioni ad alta energia delle specie di dopante vengono accelerati e bombardati sulla superficie del wafer del semiconduttore. Gli ioni penetrano nel reticolo cristallino e si fermano a profondità specifiche, determinate dall’energia e dall’angolo a cui avviene l’impiantazione. Successivi processi di ricottura sono spesso impiegati per attivare i dopanti e riparare i danni al reticolo causati dal bombardamento ionico.

2. Diffusione

Il drogaggio per diffusione comporta il riscaldamento del materiale semiconduttore in presenza di atomi dopanti, consentendo loro di diffondersi nel reticolo cristallino. Gli atomi droganti migrano attraverso il materiale semiconduttore a causa dei gradienti di concentrazione fino al raggiungimento delle posizioni di equilibrio. Il processo di diffusione è in genere eseguito in un’atmosfera controllata, come una fornace, a temperature elevate. Il drogaggio per diffusione offre un buon controllo sul dopanti di tipo p

3. Crescita epitassiale

La crescita epitassiale è un metodo utilizzato per depositare un sottile strato di materiale semiconduttore con dopaggio controllato su un substrato. In questa tecnica, utilizzata per ottenere semiconduttori estrinseci,  il materiale semiconduttore viene fatto crescere strato per strato su un substrato monocristallino utilizzando metodi come la deposizione chimica da vapore (CVD) o l’epitassia da fasci molecolari (MBE).

Per ottenere caratteristiche strutturali ben precise, come profili netti di drogaggio o strati sottili di una data composizione atomica gli elementi costituenti il materiale, che si desidera costruire, sono depositati su di un substrato riscaldato facendo incidere su di esso fasci molecolari generati dalle celle effusive della camera.

Introducendo gas dopanti durante il processo di crescita epitassiale, si può ottenere un controllo preciso sulla concentrazione e distribuzione del dopante, rendendolo adatto per la fabbricazione di strutture semiconduttrici complesse e circuiti integrati.

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