Legame metallico e semiconduttori: la teoria delle bande

Perché i metalli conducono l’elettricità e il vetro no? E come fa il silicio — né buon conduttore né perfetto isolante — a essere il cuore di ogni dispositivo elettronico? La risposta sta nella teoria delle bande, che estende l’idea del legame ai solidi e spiega in un colpo solo conduttori, isolanti e semiconduttori. È il ponte tra la chimica e l’elettronica moderna.

Vediamo il legame metallico, la teoria delle bande e che cosa rende speciali i semiconduttori.

Il legame metallico

Nel legame metallico gli atomi cedono i loro elettroni di valenza a un “fondo comune”: i cationi metallici restano disposti in modo ordinato, immersi in un mare di elettroni liberi di muoversi attraverso tutto il materiale. Questa mobilità degli elettroni spiega le proprietà tipiche dei metalli: la conducibilità elettrica e termica (gli elettroni trasportano carica e calore), la lucentezza, la duttilità e la malleabilità (i cationi possono scorrere senza rompere il legame).

La teoria delle bande

Quando moltissimi atomi si uniscono in un solido, i loro orbitali si combinano in un numero enorme di livelli energetici così vicini da formare delle bande continue. Due bande sono cruciali: la banda di valenza (gli elettroni legati) e la banda di conduzione (dove gli elettroni sono liberi di muoversi e condurre). Ciò che distingue conduttori, isolanti e semiconduttori è la presenza e l’ampiezza del gap di energia tra queste due bande.

E_gap piccola →  semiconduttore    E_gap grande →  isolante    E_gap = 0 →  conduttore

Conduttori, isolanti e semiconduttori

Nei conduttori la banda di conduzione è già accessibile, e gli elettroni si muovono liberamente. Negli isolanti il gap è così ampio che nessun elettrone riesce a saltarlo in condizioni normali. Nei semiconduttori il gap è piccolo: a temperatura ambiente o con un po’ di energia (calore, luce), alcuni elettroni riescono a passare in conduzione, rendendo il materiale parzialmente conduttore — e controllabile.

Il drogaggio dei semiconduttori

La vera magia dei semiconduttori sta nel drogaggio: aggiungendo minuscole quantità di impurità si modifica in modo controllato la conducibilità. Aggiungendo elementi con un elettrone in più si crea un semiconduttore di tipo n (portatori di carica negativi); con un elettrone in meno, di tipo p (lacune positive). Mettendo a contatto un tipo n e un tipo p si ottiene la giunzione p-n, il mattone fondamentale di diodi, transistor, celle solari e di tutta l’elettronica.

Perché conta nella pratica

La teoria delle bande è il fondamento dell’elettronica e della scienza dei materiali moderne: spiega perché si scelgono certi metalli per i conduttori, certi materiali per gli isolanti e il silicio (o altri semiconduttori) per i dispositivi. Dal punto di vista industriale, il controllo del drogaggio e delle giunzioni è ciò che ha reso possibile la rivoluzione digitale. Anche le proprietà ottiche di molti materiali (perché un materiale è opaco, trasparente o colorato) si spiegano con la struttura a bande. È un caso esemplare di come un concetto chimico-fisico astratto abbia ricadute tecnologiche immense.

I superconduttori: un caso estremo

All’estremo opposto degli isolanti ci sono materiali che, in certe condizioni, conducono l’elettricità senza alcuna resistenza: i superconduttori. Al di sotto di una temperatura critica, alcuni materiali perdono completamente la resistenza elettrica, permettendo alla corrente di scorrere indefinitamente senza dissipazione. Il fenomeno, di natura quantistica, va oltre la semplice teoria delle bande, ma ne è in un certo senso il limite ideale. I superconduttori hanno applicazioni spettacolari — dai magneti potentissimi della risonanza magnetica e degli acceleratori di particelle alla levitazione magnetica — e la ricerca di materiali superconduttori a temperature sempre più alte è una delle frontiere più affascinanti della scienza dei materiali.

Fra i solidi ionici e le leghe metalliche si collocano le fasi di Zintl.

Domande frequenti

Che cos’è il legame metallico?

È il legame che tiene insieme gli atomi di un metallo: i cationi metallici sono disposti in modo ordinato e immersi in un “mare” di elettroni di valenza liberi di muoversi. Questa mobilità degli elettroni spiega la conducibilità elettrica e termica, la lucentezza e la duttilità dei metalli.

Che cos’è la teoria delle bande?

È il modello che descrive i livelli energetici degli elettroni in un solido come bande continue. La banda di valenza contiene gli elettroni legati, la banda di conduzione quelli liberi di condurre; l’ampiezza del gap tra le due determina se il materiale è conduttore, isolante o semiconduttore.

Qual è la differenza tra conduttore, isolante e semiconduttore?

Nel conduttore le bande di valenza e conduzione si sovrappongono (gap nullo) e conduce sempre; nell’isolante il gap è troppo grande da superare; nel semiconduttore il gap è piccolo, quindi conduce solo se stimolato da calore, luce o drogaggio. È l’ampiezza del gap a fare la differenza.

Che cos’è il drogaggio dei semiconduttori?

È l’aggiunta controllata di minuscole impurità a un semiconduttore per modificarne la conducibilità. Con elementi che apportano elettroni in più si ottiene un tipo n, con elementi che ne tolgono un tipo p. La loro giunzione (p-n) è il mattone di diodi, transistor e celle solari.

Perché il silicio è così importante?

Perché è un semiconduttore con un gap di energia adatto a essere controllato, ed è abbondante ed economico. Drogandolo e costruendo giunzioni p-n si realizzano chip, transistor e pannelli solari: il silicio è il materiale alla base di tutta l’elettronica e dell’era digitale.