Appunti sulla prima parte del corso: elettronica dello stato solido

Elettronica I: Introduzione ai componenti elettronici ELETTRONICA I: INTRODUZIONE AI COMPONENTI ELETTRONICI IL MATERIALE SEMICONDUTTORE Il silicio ha una configurazione lineare di atomi che ne determinano le caratteristiche. La meccanica quantistica ci dice che il singolo atomo può avere delle energie discrete che sono le energie degli orbitali. Prima di vedere il silicio che è il conduttore che usiamo dobbiamo ricordarci dei risultati già studiati. Principio di esclusione su un certo livello energetico e un certo orbitale possono esistere solo due elettroni con differente numero quantico di spin. Il silicio ha un numero atomico che è 14: quindi ha 14 elettroni e 14 protoni in condizioni stazionarie di riposo. Gli elettroni tendono ad avere energia più bassa possibile, quindi la configurazione sarà questa: Figura 1 Stati energetici presenti su un atomo di silicio separato a livello molecolare Introduciamo quindi il concetto di stati energetici: un elettrone esiste solo se ha una particolare energia ed esiste in uno stato. In mezzo alle energie che separano gli stati, un elettrone non può esistere. L’energia in maniera semplicistica la possiamo considerare come energia cinetica: come se l’elettrone ruotando attorno all’atomo avesse un’energia cinetica. In realtà l’elettrone è una nuvola di probabilità, quindi il modello di elettrone come energia cinetica è un modo per semplificarci la visione. A noi interessa il cristallo di silicio: la ripetizione con precisione dell’atomo di silicio. Figura 2 Rappresentazione reticolo cristallino Prendiamo N atomi di silicio organizzati nella struttura in figura dove sono vertici di un cubo distanziati tutti tra loro di d. Se immaginiamo di poterli fare avvicinare gli uni agli altri mantenendo una distanza d, quando gli atomi si avvicinano le nuvole elettroniche cominciano ad interagire tra di loro e quindi sovrapporsi. Dal principio di esclusione sappiamo che non possono esserci più di due elettroni, ma nel momento in cui più elettroni si sovrappongono accade che l’energia che stiamo mettendo per avvicinarli si trasforma in un leggero spostamento dell’energia dei due livelli energetici che si separano. Se ci fossero solo due atomi sarebbero due livelli energetici molto vicini, ma dato che sono N atomi ci saranno N livelli di energia spostati tra di loro. Questi livelli energetici si separano nella realtà in un numero enorme (numero di Avogadro) leggermente distanziati l’uno dall’altro. Tutta la rete risente dell’interazione, gli stati energetici sono talmente tanti che li rappresentiamo come banda. Di tutti gli stati energetici che abbiamo considerato per il silicio dobbiamo seguire la trasformazione in banda degli ultimi due orbitali in particolare 3p e 3s perché sono quelli esterni che andranno a toccare con gli orbitali vicini. I 6 stati del 3p hanno un unico valore anche se si sono separati in una banda Figura 3 Rappresentazione della banda di 3s e 3p La banda è u