zona P e N staccate

[ziomangrovia]

Mi piacerebbe avere qualche chiarimento in merito il comportamento delle cariche elettriche in prossimità della giunzione PN di un semiconduttore composto da Silicio ma prima di metterle a contatto, facciamo finta di essere in fabbrica.

Fase 1: zona P e N non ancora a contatto
Se ci focalizziamo nella zona drogata con materiale di tipo P (es. Boro con 3 elettroni di valenza) e siamo nell'istante prima di collegarla alla zona N, abbiamo un'alta concentrazione di atomi accettori per cui siamo in presenza di lacune e gli atomi sono elettricamente neutri. Successivamente un elettrone libero si sposterà nella lacuna (poiché l'atomo di Boro lascia un posto vuoto nell'ultimo orbitale), e verrà costituito uno ione negativo e l'atomo perderà la sua neutralità.
1- E' corretto fino a qua?
Sembra ci sia però anche una lacuna MOBILE vicino a questo ione negativo ed è necessaria per mantenere la neutralità. Mi chiedo:
1- Da dove salta fuori questa lacuna mobile ?
2- Mantenere la neutralità in questo caso significa a livello di materiale ? Immagino sia da escludere a livello di atomo in quanto abbiamo già uno ione negativo.

[Pioz]

Ho ricordi labili quindi potrei sbagliare qualcosa.

La regione di carica spaziale o di svuotamento che si forma quando li avvicini e' una regione isolante, ovvero senza portatori liberi, perche' appunto c'e' uno spostamento iniziale di carica (per diffusione) dalla regione n a p e gli elettroni in piu' di n si legano con le lacune in p e non c'e' piu' niente che si puo' muovere. Questa diffusione vorrebbe continuare imperterrita e tutti gli elettroni in piu' di n vorrebbero combinarsi con le tutte le lacune di p. Pero', come hai detto, dato che spostandosi carica le regioni non sono piu' neutre, si forma un campo elettrico che vorrebbe generare una corrente (di deriva in questo caso) opposta a quella di diffusione. Man mano che la regione di carica spaziale si allarga cresce anche il campo elettrico e quindi anche la corrente di deriva. Nel punto in cui le due si eguagliano si raggiunge l'equilibrio stabile della giunzione.

Ripetendo, nella regione di svuotamento (che quindi ha dimensioni ben specifiche date dal bilancio delle due correnti) non ci sono portatori liberi e il materiale e' isolante. I portatori pero' ci sono ancora appena al di fuori di quella regione. Quando vedrai le conseguenze di polarizzare la giunzione capirai che questo non e' altro che disturbare l'equilibrio che si ha tra le due correnti nello stato stabile, e quindi favorirne una rispetto all'altra. Diffusione o deriva in caso di polarizzazione diretta o inversa rispettivamente. E questa corrente e' generata dai portatori che sono ancora liberi nelle due zone n e p fuori dalla regione di svuotamento.

[ziomangrovia]

Grazie, capisco il discorso generale del bilanciamento delle due correnti ma non afferro ancora questo concetto che viene ancor prima :
p.e.
nella zona P gli ioni negativi hanno in loro prossimità delle lacune mobili che servono per mantenere la neutralità. Neutralità si intende a livello di materiale? Non mi spiego perché ci devono essere lacune mobili.
Questo aspetto sbloccherebbe tutto il resto.

Inoltre mi chiedo anche perché la zona P ha un drogaggio maggiore rispetto a quella N ?A quale scopo ?

[Pioz]

Prima di tutto, quando droghi il silicio lui da un punto di vista macroscopico e' neutro perche' la somma di tutte le cariche e' sempre nulla. (gli atomi di silicio erano neutri prima e quelli che aggiungi altrettanto)

Provo a rispondere per quanto riguarda i fenomeni di conduzione.
Considera il caso di drogaggio N, quando l'atomo di drogante si incastra nel reticolo di silicio il suo elettrone in piu' non sa con chi legarsi e diventa libero. Libero vuol dire che appena gli dai un piccolo campo elettrico lui si muove. Quell'elettrone dal punto di vista fisico e' in banda di conduzione. Tutti gli altri che sono legati sono in banda di valenza.

Nel caso di drogaggio P, l'atomo di drogaggio ha un elettrone in meno e quindi quando si lega col reticolo resta un buco detto lacuna. Quel buco puo' essere occupato da un elettrone che si sposta da un atomo vicino che pero' lascera' un buco da un'altra parte. Sotto un campo elettrico questo fenomeno quindi genera una corrente che e' in realta' fatta da elettroni di legame (di valenza) che si spostano. Questa cosa la puoi vedere anche nellaltro senso, ovvero dicendo che e' la lacuna che si sposta e quindi e' come se questa lacuna fosse libera.


Per i drogaggi differenti non mi ricordo piu' i motivi ma quelli sono legati alla fisica di cosa vuoi costruire (diodo transistor ecc), quindi quando studi quello lo capisci

Alla fine della fiera si muovono sempre elettroni in entrambi i casi, pero' nel caso N gli elettroni si muovono perche' sono liberi e in banda di conduzione. Nel caso P invece gli elettroni liberi non ci sono e la condizione e' fatta dagli elettroni di legame che stanno in banda di valenza.

[Piercarlo]

Forse quello che sto per dire non c'entra niente ma quando a suo tempo mi posi lo stesso problema del post iniziale indagando saltò fuori che la questione della polarità di un semiconduttore non riguarda tanto i suoi atomi (che sono comunque neutri) ma la struttura reticolare del cristallo e la distribuzione delle cariche al suo interno.
Poiché abbiamo una struttura in cui ogni atomo di silicio (e a suo tempo anche di germanio) ha i suoi elettroni di valenza legato a quattro vertici del reticolo, in assenza di elementi droganti questo è elettricamente neutro nella sua interezza fatti salvi gli elettroni che si liberano per agitazione termica (relativamente pochi nel silicio, molti di più nel germanio).

Il discorso cambia quando nel cristallo vengono incorporati degli elementi trivalenti (per ottenere un semiconduttore "P") o pentavalenti (per ottenere un semiconduttore "N"). In questo caso, mentre i singoli atomi rimangono neutri, lo stesso non vale più per il reticolo cristallino che si trova, nella sua struttura, elettricamente fuori equilibrio, soprattutto nel caso di semiconduttore "P" di cui, su quattro vertici ne rimane scoperto uno che proprio per questo, costituendo una lacuna positiva, "tira" verso di sé un elettrone inserito in uno degli altri vertici (quindi di valenza) che però, nel momento in cui si trasferisce da un vertice all'altro, lascia per forza di cose scoperto il vertice che occupava in precedenza, con il risultato che ad essersi trasferita nel cristallo è in effetti la lacuna che appare come una carica positiva in movimento.

Mentre nel semiconduttore "N" il reticolo cristallino rimane strutturalmente neutro (perché l'elettrone estraneo al reticolo rimane semplicemente libero a disposizione della banda di conduzione e in prima istanza non crea alcun problema al reticolo in quanto tale), nel semiconduttore "P" le lacune si spostano continuamente per agitazione termica "come se" fossero vere cariche positive anziché cariche negative mancanti a completare il reticolo. La neutralità elettrica degli atomi del reticolo rimane conservata ma lo stesso non si può più dire del reticolo cristallino.

Questo fatto diventa cruciale al momento della formazione di una giunzione PN, quando gli elettroni liberi da legami di valenza della regione "N" si fiondano sui posti vacanti esistenti nel reticolo della regione "P" immediatamente a ridosso della giunzione. Il risultato è la formazione di una regione di carica spaziale che, con la sua barriera di potenziale trasforma la giunzione in un diodo.

Questo in sintesi è quanto mi ricordo dell'intera questione in cui, in buona sostanza, il problema non è costituito dalla neutralità degli atomi (che non viene mai messa in discussione) ma dalle distribuzione spaziale (tridimensionale visto che è un solido) dei campi elettrici all'interno del cristallo che li incorpora, l'unico componente in ultima analisi ad assumere realmente la caratteristica di essere "P" o "N".