Ionizzazione nel rivelatore  Contatori a stato solido  Raccolta delle cariche: mobilità

Conduzione estrinseca - impurità

La conduzione estrinseca é dovuta alla presenza di impurità/difetti nel cristallo, fra cui: atomi di altri elementi, atomi eccedentari, difetti cristallini. Tali impurità creano nel materiale la presenza di stati energetici intermedi. Gli elettroni appartenenti agli atomi costistuenti l'impurità/difetto non si collocano nelle bande energetiche permesse del cristallo ``puro''.
 

 
 

In particolare la sostituzione in un cristallo di germanio di un atomo tetravalente di Ge con un atomo pentavalente di P o As o Sb lascia un elettrone dell'elemento drogante non legato con un legame covalente. Il livello energetico di un tale elettrone é posto immediatamente al di sotto della banda di conduzione (livello donatore) ad una distanza $\Delta W_n$. Ad esempio, per il silicio drogato con As $\Delta W_n$ = 0.054 eV.

                                                Figura 5.2: livelli energetici in un semiconduttore con atomi di impurità donatori.
 
 

In questo caso quando gli elettroni passano nella banda di conduzione, si manifesta conduzione per impurità. I semiconduttori drogati con atomi di questo tipo sono detti semiconduttori di tipo n. La sola eccitazione termica é sufficiente a far sì che una gran parte dei donatori risultino ionizzati. Se la concentrazione di donatori é largamente superiore alla concentrazione di elettroni nella banda di conduzione attesa per un materiale intrinseco, si ottiene che il numero di portatori di carica negativa diviene eguale alla concentrazione di atomi donatori, che é tipicamente dell'ordine di 10¹⁷ cm^-3. Sono quindi portatori di carica di maggioranza.

Dato che il prodotto fra il numero di buche e di elettroni é costante ad una determinata temperatura (n = p $\simeq 10^{10}$ cm^-3 a temperatura ambiente per un materiale intrinseco), ne risulta che la concentrazione di elettroni aumenta (n $\simeq 10^{17}$ cm^-3) e di conseguenza diminuisce la concentrazione di buche (p $\simeq 10^{3}$cm^-3). La neutralità del materiale viene preservata dalla presenza degli atomi ionizzati di elemento drogante. La conducibilità totale viene in questo caso determinata principalmente dagli elettroni.
 

 
 

Nel caso in cui un atomo di Ge sia sostituito da un atomo trivalente come B, Al o In, un elettrone manca per un legame covalente. L'elettrone può essere catturato da un altro atomo di Ge, creando una buca. I livelli energetici liberi creati da un elemento accettore si trovano in prossimità dei livelli energetici della banda di valenza ad una distanza $\Delta W_p$. Ad esempio nel caso di introduzione di atomi di boro in silicio, $\Delta W_p$ = 0.08 eV.

                                                Figura 5.3: livelli energetici in un semiconduttore con atomi di impurità accettori.
 
 

I semiconduttori drogati con atomi di questo tipo sono detti semiconduttori di tipo p.

Analogamente a quanto detto per i semiconduttori di tipo n, la sola eccitazione termica risulta sufficiente a far sì che la maggior parte dei siti ``accettori'' siano occupati da elettroni provenienti da altri normali legami covalenti nel cristallo. Questi elettroni lasciano quindi dietro di sé una buca nella banda di valenza. Nel caso in cui la concentrazione dell'elemento accettore sia molto più elevata della concentrazione di buche nel materiale intrinseco, il numero di buche é in questo caso determinato dal numero di atomi accettori. In questo caso i portatori di carica di maggioranza sono costituiti dalle buche così create nella banda di valenza.
 

                                                                                Figura 5.4: impurità di indio in germanio
 

 
 

Sia nel caso dei materiali di tipo p che di tipo n, la conducibilità risulta di gran lunga maggiore di quella del semiconduttore intrinseco.

5/13/1998