3.

Il drogaggio

Un altro metodo per creare cariche libere in un cristallo semiconduttore è il drogaggio: si tratta di un trattamento che consiste nell’inserimento di piccolissime percentuali di materiali (impurità o droganti) dotati di tre o cinque elettroni di valenza (i semiconduttori ne hanno quattro). Ogni atomo di drogante sostituisce, nei legami covalenti, un atomo di semiconduttore. Se il drogante ha cinque elettroni, uno di essi resta libero per la conduzione: il drogante si dice “donatore” o “donore” (dall’inglese donor) e il semiconduttore, così drogato, è detto di tipo n, poiché in esso prevalgono portatori di carica negativi (gli elettroni).

Se il drogante ha solo tre elettroni di valenza, il legame covalente è incompleto e nel reticolo cristallino genera una lacuna: il drogante si dice “accettatore” o “accettore” (dall’inglese acceptor) e il semiconduttore drogato è detto di tipo p, poiché in esso prevalgono portatori di carica positivi (le lacune).

Questo concetto è illustrato dallo schema, che mostra un cristallo di silicio (Si) drogato. I quattro elettroni di valenza di ogni atomo sono rappresentati da punti. Nel cristallo con drogaggio di tipo n alcuni atomi di fosforo (P), che hanno cinque elettroni di valenza, sostituiscono altrettanti atomi di silicio, liberando un elettrone ciascuno. Nel cristallo con drogaggio di tipo p sono inseriti atomi di alluminio (Al), che hanno tre elettroni di valenza; ciascun atomo di Al, a cui manca un elettrone per realizzare un legame covalente completo, costituisce una lacuna. Si ottiene, in ogni caso, un aumento della conducibilità.

Se, in uno stesso cristallo, vengono realizzate una zona p e una zona n adiacenti, si crea una “giunzione p-n”. Le proprietà di questo particolare sistema fisico sono alla base del funzionamento del diodo a semiconduttore, un dispositivo generalmente utilizzato come raddrizzatore nei circuiti a corrente alternata. Esso infatti presenta un’altissima resistenza al passaggio della corrente in una direzione e una resistenza pressoché trascurabile in direzione opposta; applicando una tensione di polarità opportuna, è possibile determinarne il comportamento di conduttore o isolante. Combinazioni di più giunzioni permettono di realizzare i transistor e dispositivi come celle solari e laser a giunzione.

I componenti a semiconduttore vantano innumerevoli applicazioni nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche. La tecnologia dell’integrazione, che permette di realizzare, sfruttando le proprietà delle giunzioni p-n, centinaia di migliaia di componenti sulla superficie di una piccola porzione di cristallo di silicio, ha reso possibile l’attuale grado di miniaturizzazione dei dispositivi elettronici. La realizzazione di nuovi tipi di transistor, detti MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), usati in coppie complementari (con conduzione affidata a semiconduttore di tipo p l’uno e di tipo n l’altro), ha permesso di aumentare ulteriormente l’efficienza di questi circuiti (integrati C-MOS). Vedi anche Circuito integrato; Microprocessore.