Confusione zona a drogaggio N o P che è NEUTRA

[ziomangrovia]

Sto studiando la giunzione P-N di un diodo ed in molti video si afferma che prima di mettere a contatto le due zone sia la zona P che quella N sono neutre, questo non mi torna per niente.
Per esempio se prendo una zona N ci saranno elettroni liberi non coinvolti in alcun legame, ragion per cui dichiarata come zona N e suscettibile alla movimentazione di tali cariche.
Ma perché è neutra ? Se è neutra significa che nella zona il numero di lacune è uguale al numero di elettroni.
P.e. se si afferma che la zona è a drogaggio N mi viene da pensare che prevalgano le cariche negative.
Forse il concetto di drogaggio, nonostante ci sia equilibrio di cariche nel materiale, si riferisce soltanto alla possibilità di muoversi delle cariche ? O meglio al fatto di non essere coinvolti in un legame covalente ?
Ho capito bene ?

[Goofy]

Il drogaggio consiste nell'aggiungere al silicio, neutro, atomi di elementi trivalenti o pentavalenti, pure questi neutri: numero di protoni uguale al numero di elettroni.
Il tutto resta quindi neutro, prima e dopo il drogaggio.

Un metallo è "pieno di elettroni" liberi per la conduzione ma non è negativo.

[IsidoroKZ]

Ma perché è neutra ? Se è neutra significa che nella zona il numero di lacune è uguale al numero di elettroni.

Devi anche contare le cariche fisse degli ioni. Una atomo di fosforo (drogante n) genera un elettrone libero ma aggiunge anche uno ione positivo fisso. Stessa cosa per un atomo di alluminio: genera una lacuna libera ma intrappola localmente un elettrone e hai una carica negativa fissa.

Le cariche fisse di solito si indicano con N_A e N_D.

[ziomangrovia]

Il drogaggio consiste nell'aggiungere al silicio, neutro, atomi di elementi trivalenti o pentavalenti, pure questi neutri: numero di protoni uguale al numero di elettroni.
Il tutto resta quindi neutro, prima e dopo il drogaggio.

Ho capito questa prima parte, grazie.
Quuindi il drogaggio N per esempio conferisce la proprietà al materiale di disporre di elettroni che possono liberarsi con poca energia e partecipare così ad altri legami con altri atomi, corretto?
Quando la zona P e quella N si mettono a contatto la neutralità si rompe giusto ? Questo è dovuto alla movimentazione di lacune ed elettroni dovute alla diversa concentrazione, corretto ?

[ziomangrovia]

Devi anche contare le cariche fisse degli ioni. Una atomo di fosforo (drogante n) genera un elettrone libero ma aggiunge anche uno ione positivo fisso. Stessa cosa per un atomo di alluminio: genera una lacuna libera ma intrappola localmente un elettrone e hai una carica negativa fissa.

Questo non mi è chiaro, se il silicio ha 4 elettroni di valenza ed il materiale è drogato p.e. con fosforo che ne ha 5, e tutti gli atomi sono neutri perché ci devono essere degli ioni ? Forse intendi che gli elettroni del P lasciano il reticolo cristallino (formando ioni positivi) ma a quel punto non si parla più di neutralità immagino.
Sbaglio ?

[GioArca67]

Questo non mi è chiaro, se il silicio ha 4 elettroni di valenza ed il materiale è drogato p.e. con fosforo che ne ha 5, e tutti gli atomi sono neutri perché ci devono essere degli ioni ? Forse intendi che gli elettroni del P lasciano il reticolo cristallino (formando ioni positivi) ma a quel punto non si parla più di neutralità immagino.
Sbaglio ?

Sbagli.
Poiché l'elettrone non è stato lanciato nello spazio, ma rimane nel materiale, il materiale rimane neutro.
Fai attenzione a dire che ha lasciato il reticolo cristallino.

Il drogaggio del materiale semiconduttore intrinseco comporta una modifica dei livelli energetici rispetto al livello di Fermi (che nel semiconduttore si trova circa a metà fra banda di valenza e banda di conduzione): quando effettui il drogaggio del Silicio col Fosforo crei per gli elettroni degli stati energetici possibili aggiuntivi vicino alla banda di conduzione, mentre drogando col Boro crei degli stati energetici possibili vicino la banda di valenza.
Vicino significa che se ad es. il salto di banda vale 1.12eV per il Silicio, dove hai concentrazione di Fosforo la banda di conduzione si trova metti a 0,1eV di distanza dal livello di Fermi.
Questo comporta che già a temperatura ambiente hai energia a sufficienza affinché un numero di elettroni maggiore del solito passino alla banda di conduzione.
Viceversa per le zone drogate con il Boro.
Detto in altre parole per il caso del Boro (il caso del Fosforo è più semplice intuitivamente: ha un elettrone in più e lo "dona"): poiché il 4° legame ci deve essere, ma l'atomo di Boro inserito nel reticolo cristallino del Silicio non ha l'elettrone disponibile, lo dovrà prendere da qualche parte e si ionizza negativamente, ma quell'elettrone era già presente nel cristallo, che rimane neutro.
Non hai complessivamente né eccesso di elettroni né eccesso di lacune.
Dire che un atomo in un reticolo cristallino è ionizzato non significa dire che tutto il materiale lo sia...

La cosa interessante ora avviene quando le zone drogate diversamente sono a intimo contatto e la transizione del drogaggio è netta: allora avrai un livello di Fermi unico per il cristallo e le bande di valenza e conduzione che devono raccordarsi fra livelli energetici differenti: quella di conduzione ad es. lontana dal livello di Fermi nella zona p e vicina nella zona n. E' qui che si crea la barriera.
Modificando il livello di Fermi con una sorgente esterna puoi alzare ulteriormente la barriera oppure la puoi abbassare fino ad eliminarla e rendere quindi possibile il passaggio di corrente.

Sperando di non aver scritto troppe stupidaggini...

[ziomangrovia]

Io ti ringrazio tantissimo per la spiegazione, è un po' che provo a rileggerla diverse volte ma ci sono cose che continuo a non capire dovute alla mia ignoranza in chimica e che sto cercando di colmare.
Non vorrei creare un corso di studio... ma se vuoi ho pronte le domande.

[Had3s]

Che ricordi, il corso di dispositivi elettronici, forse il più interessante mai frequentato!