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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.

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

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:            

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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 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.  

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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