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Fotoconduttività
Gli elettroni possono essere promossi in un semiconduttore
alla banda di conduzione anche da
altre forme di
energia oltre al calore. ad esempio dalla luce.
Se l’energia di un fotone (hn)
di luce che illumina il semiconduttore
è maggiore dell’intervallo di banda, gli elettroni di
valenza vengono promossi alla banda di conduzione e aumenta
la conduttività.
Semiconduttori con intervallo di banda nel visibile
sono detti fotoconduttori.
(Al buio essenzialmente non conducono).
Si usano ad es. strati di semiconduttori di questo
tipo in tecniche elettrofotografiche (Se o As2Se3).
I
semiconduttori estrinseci
Se,
con un processo detto drogaggio,
si
possono introdurre nel materiale atomi con
più elettroni dell'elemento originario, si aumenta il numero
dei vettori di carica negativa.
Þ
Del drogante basta una quantità minima, non più di un atomo ogni 109
atomi del materiale ospitante; ciò rende assolutamente essenziale
l'altissima
purezza dei materiali interessati.
Se
introduciamo atomi di
P o As
in un cristallo di silicio,
per ogni atomo del drogante
avremo un elettrone in più.
Il
drogaggio ha carattere sostitutivo,
cioè l'atomo drogante prende il posto di uno di Si
originario.
Þ
Con atomi donatori molto distanziati, i loro elettroni saranno
localizzati, e la banda donatrice
risulterà
molto stretta.
Comunemente l'energia della banda drogante completa è prossima
a quella della banda vuota. Per
T >
0 K alcuni dei suoi elettroni saranno promossi
termicamente alla banda di conduzione vuota del Si. Tali elettroni
potranno muoversi attraverso il reticolo di Si.
Quella
che ne deriva è la semiconduzione di tipo n, dove n
indica che i vettori di carica sono elettroni, negativi.
Þ
In alternativa si può drogare Si con atomi di un elemento
con meno elettroni per atomo, come il
boro o il gallio.
Atomi
droganti di questo genere introducono nel solido lacune
positive. Cioè
gli atomi del drogante formano una strettissima banda
accettrice vuota sopra la banda piena
del Si piena.
Þ
A T = 0 K l'accettore è vuoto, ma a T superiore è in grado di
accettare elettroni eccitati termicamente, sottrarli alla
banda di valenza del Si. |

|
In
questa si creano delle
lacune elettroniche (holes) che
rendono mobili gli elettroni rimanenti.
Þ
I vettori di carica sono costituiti da lacune positive
nella banda inferiore; questo genere di conduzione si dice semiconduzione di tipo p.
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Þ
I semiconduttori di tipo n o p, in varie combinazioni, vengono
usati in molti componenti elettronici (solid
state devices). Rettificatori, transistors, celle
fotovoltaiche e LED (light emitting diodes) si basano su cristalli
drogati in modo da essere parzialmente
tipo n e parzialmente tipo p.
I
primi transistors erano sandwiches
n-p-n o p-n-p.
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Giunzione
p-n - Celle fotovoltaiche (solari)
Nella regione di contatto tra un semiconduttore
tipo-n e uno tipo- p vi è una discontinuità nella concentrazione
elettronica.
Benchè entrambi siano elettricamente neutri,
il tipo-n ha una maggiore concentrazione di elettroni del
tipo-p.
Per equalizzare
la concentrazione elettronica vi sarà un moto di elettroni:
tipo-n
®
tipo-p
Si crea una carica positiva sul tipo-n e negativa
sul tipo-p e il campo
elettrico prodotto spinge gli elettroni a tornare nel
tipo-n, fino ad un bilanciamento delle due forze.
Þ
Ciò si verifica al
buio. Il possibile uso come cella solare dipende dall’intervallo
di banda.
Se la luce
può promuovere elettroni alla banda di conduzione, gli
elettroni promossi saranno
attratti dalla regione
positiva tipo-n.
Nel contempo un elettrone dalla regione tipo-p della
banda di valenza si muove
verso la regione tipo-n
a riempire ogni lacuna. |

|
Avremo
a)
nella banda di valenza una lacuna
nella regione tipo-p
b)
nella banda di conduzione un elettrone
nella regione tipo-n.
Elettrone e
lacuna sono separati spazialmente.
L’elettrone non può
semplicemente emettere
radiazione e tornare nella banda di valenza, ma è libero di
viaggiare nella regione tipo-n fino a un circuito esterno. La corrente elettrica così prodotta può essere utilizzata per
produrre lavoro (la giunzione n-p illuminata funziona da
batteria).
Tali celle hanno modesta efficienza (alimentazione calcolatori, illuminazione
domestica).
Le energie dei fotoni visibili sono 2.4 - 5.0 x 10-19
J. Si ha una band gap
di 1.9 x 10-19 J e può usare tutte le lunghezze d’onda
del visibile. L’inverso di una cella fotovoltaica è un LED.
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Composti
semiconduttori: L’arseniuro di gallio GaAs
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GaAs è rivale del silicio in diverse applicazioni
(comprese le celle solari).
Ha una struttura tipo diamante (come Si). Gli
orbitali di valenza in Ga e As sono i 4s e 4p, che formano due
bande come in Si.
Tuttavia quella più bassa, di valenza,
ha maggiore contributo As, mentre quella di conduzione ha
maggiore carattere Ga.
GaAs può essere considerato a parziale carattere ionico ed è un esempio di una classe di composti
semiconduttori, noti come III/V,
in cui un elemento con un elettrone in più del Si (As) è
combinato con uno avente un elettrone in meno (Ga). Altri esempi
sono GaSb, InP, InAs e InSb.
Vi sono anche semiconduttori
II/VI,
come CdTe e ZnS.
Per solidi semiconduttori l’intervallo di banda
diminuisce lungo un gruppo:
GaP > GaAs
> GaSb |
AlAs > GaAs
> InAs |
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Ossidi di
metalli d,
come ZnO e Fe2O3, sono semiconduttori di tipo-n.
Ciò
è dovuto al carattere non
stechiometrico del composto, che presenta un piccolo
deficit di atomi di O (Eccesso
di metallo).
Gli
elettroni che dovrebbero occupare gli orbitali atomici localizzati
di O (fornendo una strettissima
banda dell'ossido, essenzialmente
singoli ioni localizzati)
occupano una banda di
conduzione formata dagli orbitali del metallo.
La
conduttività diminuisce
riscaldando l'ossido in atmosfera di ossigeno, giacché questo ha
l'effetto di compensare il deficit di O. Entrando nel reticolo nuovi atomi di O,
gli elettroni si ritirano
dalla banda di conduzione.
La
semiconduzione di tipo p si osserva in alcuni
calcogenuri e alogenuri
dei metalli d a basso
numero di ossidazione, quali Cu2O, FeO, FeS e CuI.
In
tali composti non
stechiometrici il deficit di elettroni equivale all'ossidazione
di alcuni atomi del metallo,
ciò che lascia una lacuna nella banda formata dagli ioni a numero
di ossidazione inferiore.
Riscaldando
questi materiali in atmosfera di ossigeno la loro conduttività
aumenta, perché, al procedere dell'ossidazione, si formano
altre lacune nella banda degli ioni metallici.
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La
superconduttività
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Un
superconduttore è un
materiale che conduce l'elettricità senza opporle resistenza.
Fino
al 1987 i soli superconduttori noti (fra i quali diversi metalli,
alcuni ossidi, certi alogenuri, il polimero (SN)x ecc.) dovevano essere raffreddati sotto i 20 K per
manifestare la loro superconduttività (superconduttori
a bassa T).
La
superconduttività in metalli e leghe era già spiegata da una
teoria ab-initio formulata nel 1957 da Bardeen, Cooper e
Schieffer (Teoria BCS).
Nel
1987 furono scoperti (Bednorz e Müller) i primi superconduttori
«ad alta temperatura».
Se
ne sono stabilite le caratteristiche di superconduttività
fino a 120 K (ma vi sono esempi di specie con T anche superiori).
La
struttura del più noto, YBa2Cu3O7-x, (YBCO) è riconducibile alla struttura perovskitica.
Il
concetto centrale, per la superconduzione a bassa T, è l'esistenza
di coppie
di Cooper, coppie di elettroni che si formano
indirettamente grazie agli spostamenti vibrazionali degli atomi
costituenti il reticolo. |

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Se
un elettrone si trova in una certa
regione del solido, i nuclei circostanti tendono ad avvicinarglisi,
creando una struttura locale
distorta.
Essendo
tale distorsione locale ricca di carica
positiva, un secondo elettrone sarà indotto a raggiungere il primo.
Þ
E’ come se fra i due
elettroni si esercitasse un'attrazione,
per cui essi tenderanno a muoversi accoppiati.
La
distorsione locale si distrugge facilmente a causa della agitazione
termica degli ioni Þ
l'attrazione virtuale può esistere solo a T molto basse.
Viaggiando
nel solido una coppia
di Cooper
subisce meno
diffusione (scattering) di un elettrone isolato,
poiché, i due elettroni si richiamano
a vicenda. |

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Poiché
la coppia di Cooper è stabile nei confronti della diffusione essa
è in grado di trasportare
liberamente la carica attraverso il solido e, di dare origine
alla superconduzione.
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