Semiconduttori: drogaggio n e p, come funziona

Un semiconduttore puro, a temperatura ambiente, conduce pochissimo: è quasi un isolante. Eppure è il materiale su cui si regge tutta l’elettronica. Il segreto sta nel drogaggio: aggiungere impurità in quantità minime — poche parti per milione — cambia la conducibilità di ordini di grandezza e permette di costruire diodi, transistor e celle solari. Vediamo come funziona un semiconduttore e perché il drogaggio è così potente.

Affrontiamo l’intervallo di banda (il band gap), la differenza tra semiconduttore intrinseco ed estrinseco, il drogaggio di tipo n e di tipo p, e perché bastano poche impurità per trasformare il materiale.

Che cos’è un semiconduttore

Un semiconduttore è un materiale che a 0 K si comporta da isolante — tutti gli elettroni sono impegnati nei legami — ma che a temperatura ambiente conduce un poco, e la cui conducibilità cresce nettamente con la temperatura e, soprattutto, con le impurità. I casi più importanti sono il silicio e il germanio (elementi del gruppo 14, con quattro elettroni di valenza ciascuno) e l’arseniuro di gallio, un composto del gruppo 13-15. In questi cristalli ogni atomo forma quattro legami covalenti con i vicini: a basse temperature non ci sono cariche libere per condurre.

L’intervallo di banda decide tutto

La caratteristica chiave è l’intervallo di banda Eᵏ, cioè la differenza di energia tra la banda di valenza (piena, dove gli elettroni sono legati) e la banda di conduzione (vuota, dove gli elettroni sarebbero liberi di muoversi). Per portare un elettrone dall’una all’altra serve un’energia almeno pari al gap. I valori, a temperatura ambiente, sono caratteristici di ciascun materiale:

Eᵏ(Si) ≈ 1,1 eV  ·  Eᵏ(Ge) ≈ 0,67 eV  ·  Eᵏ(GaAs) ≈ 1,4 eV

Il numero di portatori che riescono a saltare il gap dipende in modo esponenziale dal rapporto tra il gap e l’energia termica: per questo il germanio, che ha il gap più piccolo, ha più portatori intrinseci del silicio alla stessa temperatura. Un gap troppo grande (come nel diamante o negli ossidi) rende il materiale isolante; un gap nullo o sovrapposto lo rende un metallo. Il semiconduttore vive nel mezzo, ed è proprio questa posizione intermedia a renderlo così utile.

Semiconduttore intrinseco ed estrinseco

Un semiconduttore intrinseco è puro: gli unici portatori sono gli elettroni che il calore promuove nella banda di conduzione, ciascuno dei quali lascia dietro di sé una lacuna (una carica positiva mancante) nella banda di valenza. Elettroni e lacune sono in egual numero. Un semiconduttore estrinseco, invece, è drogato: contiene impurità scelte che introducono portatori in eccesso di un solo tipo, e a temperatura ambiente sono queste impurità a dominare la conduzione, non l’effetto termico.

Drogaggio di tipo n: i donatori

Se in un cristallo di silicio si sostituisce qualche atomo con un elemento del gruppo 15 — fosforo, arsenico o antimonio, che hanno cinque elettroni di valenza — quattro elettroni completano i legami covalenti con i vicini e ne avanza uno. Questo elettrone in più è legato debolmente: basta pochissima energia (qualche centesimo di elettronvolt) per liberarlo nella banda di conduzione. L’impurità «dona» un elettrone ed è per questo chiamata donatore; il materiale diventa di tipo n, perché i portatori dominanti sono gli elettroni (carica negativa).

Drogaggio di tipo p: gli accettori

Se invece si introduce un elemento del gruppo 13 — boro, alluminio, gallio o indio, con tre elettroni di valenza — manca un elettrone per completare i quattro legami. Questa «casella vuota» è una lacuna, che si comporta come una carica positiva mobile: un elettrone vicino può saltarci dentro lasciando una nuova lacuna più in là, e così la lacuna «viaggia». L’impurità accetta un elettrone dalla banda di valenza ed è detta accettore; il materiale diventa di tipo p, con i portatori dominanti positivi.

Perché bastano poche parti per milione

L’aspetto più sorprendente del drogaggio è quanto poco serve. Una concentrazione minuscola di impurità modifica radicalmente la conducibilità, perché ogni atomo drogante aggiunge un portatore libero a un materiale che, da puro, ne ha pochissimi. In ordine di grandezza, aggiungere un atomo di boro ogni centomila atomi di silicio aumenta la conducibilità del silicio puro di circa mille volte a temperatura ambiente:

1 atomo di boro ogni 10⁵ di silicio → conducibilità × ~1000

È questa sensibilità estrema che rende il drogaggio uno strumento di precisione: variando il tipo (n o p) e la quantità di drogante si progetta esattamente la conducibilità voluta in ogni regione di un dispositivo. L’incontro tra una zona n e una zona p — la giunzione p-n — è il mattone fondamentale di diodi, transistor, LED e celle fotovoltaiche.

Confronto: tipo n e tipo p

La tabella riassume le due famiglie di drogaggio, l’impurità usata e il portatore di carica che ne risulta:

Combinando una regione n e una regione p si ottiene la giunzione che sta alla base di quasi tutti i dispositivi a semiconduttore.

Domande frequenti

Che cos’è il drogaggio di un semiconduttore?

È l’aggiunta deliberata e controllata di impurità a un semiconduttore puro per aumentarne e «orientarne» la conducibilità. A seconda dell’impurità scelta si ottengono portatori in eccesso di carica negativa (tipo n) o positiva (tipo p). Bastano concentrazioni minime, dell’ordine delle parti per milione, per cambiare la conducibilità di ordini di grandezza.

Qual è la differenza tra tipo n e tipo p?

Nel tipo n si usano impurità del gruppo 15 (fosforo, arsenico, antimonio) che hanno un elettrone di valenza in più: questo elettrone diventa un portatore libero negativo. Nel tipo p si usano impurità del gruppo 13 (boro, alluminio, gallio) che hanno un elettrone in meno: si crea una lacuna che si comporta da portatore positivo.

Quanto vale l’intervallo di banda del silicio?

Circa 1,1 eV a temperatura ambiente. Per confronto il germanio ha un gap più piccolo (circa 0,67 eV) e l’arseniuro di gallio uno più grande (circa 1,4 eV). Più piccolo è il gap, più portatori riescono a superarlo per effetto termico, quindi più alta è la conducibilità del materiale puro.

Perché bastano poche impurità per cambiare la conducibilità?

Perché il semiconduttore puro ha pochissimi portatori liberi, e ogni atomo drogante ne aggiunge uno. Aggiungere, per esempio, un atomo di boro ogni centomila di silicio aumenta la conducibilità di circa mille volte a temperatura ambiente. È questa sensibilità estrema che permette di progettare la conducibilità con precisione.

Che cos’è una lacuna?

È l’assenza di un elettrone in un legame, che si comporta come una carica positiva mobile: un elettrone vicino può occuparla lasciando una nuova lacuna più in là, così la lacuna sembra spostarsi. Nei semiconduttori di tipo p le lacune sono i portatori di carica dominanti.