Semiconduttore di tipo N: definizione, impurità donatrici e conduzione

Scopri cosa è un semiconduttore di tipo N: impurità donatrici (fosforo, arsenico...) e come aumentano la conduzione elettronica in silicio e germanio.

Un semiconduttore di tipo N è un tipo di materiale usato in elettronica. Si tratta di un semiconduttore “drogato” in modo da avere come portatori di carica prevalenti gli elettroni, cui è affidata la conduzione elettrica.

Definizione e processo di drogaggio

Si ottiene aggiungendo un'impurità a un semiconduttore puro come il silicio o il germanio. Le impurità utilizzate possono essere fosforo, arsenico, antimonio, bismuto o qualche altro elemento chimico. Sono chiamate impurità donatrici. L'impurità è chiamata donatore perché dà un elettrone libero a un semiconduttore.

Meccanismo microscopico

Nel reticolo cristallino del silicio (che ha quattro elettroni di valenza) un atomo di fosforo, arsenico, antimonio o bismuto (che hanno cinque elettroni di valenza) sostituisce un atomo di silicio. Il quinto elettrone del donatore è legato molto debolmente e può essere facilmente eccitato nella banda di conduzione anche a temperature modeste: una volta liberato contribuisce alla corrente elettrica come portatore maggioritario (elettrone). L'atomo di impurità ionizzato resta come ione positivo fisso nel reticolo, mantenendo la neutralità elettrica complessiva del materiale.

Proprietà elettriche

Rispetto al semiconduttore intrinseco (non drogato), il materiale di tipo N ha:

• Maggiore concentrazione di elettroni (portatori di maggioranza).
• Minore resistenza e quindi migliore conducibilità elettrica.
• Livello di Fermi spostato verso la banda di conduzione, il che indica la maggiore probabilità di trovare elettroni energetici disponibili per la conduzione.

Comportamento in funzione della temperatura

Il comportamento del semiconduttore di tipo N varia con la temperatura:

• A bassissime temperature si può avere un effetto di freeze-out, in cui pochi donatori sono ionizzati e la conducibilità diminuisce.
• A temperature moderate (regime estrinseco) la maggior parte dei donatori è ionizzata e la conducibilità dipende principalmente dalla concentrazione di drogaggio.
• A temperature molto elevate il materiale diventa intrinseco perché la generazione termica di coppie elettrone-lacuna supera l'effetto del drogaggio.

Concentrazione di drogaggio e effetti avanzati

La concentrazione di impurità può essere leggera (10^13–10^15 cm^-3), moderata o pesante (fino a 10^19–10^20 cm^-3). A concentrazioni molto alte si raggiunge lo stato di drogaggio degenerato, in cui il materiale mostra comportamenti simili a un metallo. Esistono inoltre tecniche come il drogaggio di compensazione (introduzione contemporanea di accettori e donatori) per regolare con precisione le proprietà elettriche.

Metodi di introduzione delle impurità

• Diffusione termica: le impurità vengono diffuse nel substrato a temperature elevate.
• Impianto ionico: ioni di donatore vengono sparati nel substrato e poi attivati termicamente.
• Deposizione epitassiale: strati sottili drogati vengono depositati con controllo preciso della concentrazione.

Applicazioni pratiche

I semiconduttori di tipo N sono fondamentali nei dispositivi elettronici: costituiscono insieme ai materiali di tipo P le giunzioni PN impiegate in diodi, transistor bipolari, MOSFET, celle fotovoltaiche e sensori. In molti circuiti integrati sono utilizzati per formare regioni di contatto, canali o strati di carica aventi proprietà elettriche controllate.

Sintesi

In sintesi, un semiconduttore di tipo N è ottenuto introducendo impurità donatrici che aumentano il numero di elettroni liberi, migliorando la conduzione e spostando il livello di Fermi verso la banda di conduzione. La scelta del donatore (fosforo, arsenico, antimonio, bismuto, ecc.) e la tecnica di drogaggio determinano le proprietà elettriche finali del materiale.

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