I dispositivi a stato solido sono i componenti di controllo sia dei dispositivi high-tech che di quelli molto ordinari. Il loro uso diffuso è legato al fatto che possono essere utilizzati per interfacciarsi con tutti i sensi umani. I diodi emettitori di luce (LED) e i laser a stato solido producono luce utilizzata in tutti i tipi di display che si interfacciano con la vista. Le prime applicazioni dei dispositivi a stato solido furono l’uso dei transistor nelle radio e negli amplificatori che si interfacciano con il nostro senso dell’udito. I termoelettrici sono dispositivi a stato solido che possono essere usati per riscaldare o raffreddare – un’interfaccia con il senso del tatto. Mentre i dispositivi a stato solido non emettono odore o sapore, possono essere utilizzati come sensori per monitorare sostanze odorose o tossiche, interfacciandosi con i sensi dell’olfatto e del gusto. In un certo senso, il senso moderno del tempo, guidato dalla rivoluzione dell’informazione, risale ai dispositivi a stato solido.

All’inizio del ventunesimo secolo, sono stati prodotti più dispositivi a stato solido di qualsiasi altra cosa fabbricata. Più di dieci miliardi di componenti sono fabbricati su un singolo wafer di silicio di otto pollici. Durante gli anni ’40 i lavori di semplici dispositivi a stato solido venivano eseguiti con tubi a vuoto e relè meccanici. (Se un tubo a vuoto copriva un pollice quadrato di area, gli stessi dieci miliardi di dispositivi che stanno su un wafer da otto pollici coprirebbero 6,5 chilometri quadrati). L’invenzione del transistor nel 1947 ai Bell Laboratories ha inaugurato l’era elettronica, iniziando con telefoni e radio e fornendo alla fine computer sempre più piccoli e veloci, un’illuminazione più efficiente, un mezzo per raccogliere energia elettrica dal sole e molto altro ancora.

I materiali dei dispositivi a stato solido

I dispositivi a stato solido consistono in intricate organizzazioni di materiali cristallini che presentano proprietà isolanti, semiconduttrici o conduttrici. Gli isolanti, tipicamente composti da SiO2, bloccano il flusso di corrente da una parte all’altra del dispositivo. I semiconduttori, tipicamente silicio o materiali legati al silicio, sono i materiali principali dei dispositivi a stato solido, controllando il numero e la velocità del flusso di portatori di carica (elettroni o buchi). I buchi si formano quando un elettrone viene rimosso e quindi portano una carica positiva. I conduttori, tipicamente metalli come l’alluminio o il rame, sono usati per i collegamenti elettrici ai dispositivi. La progettazione, il funzionamento e la fabbricazione di dispositivi a stato solido sono generalmente oggetto di fisica e ingegneria. Le proprietà dei materiali usati per fare i dispositivi, tuttavia, sono determinate dalla chimica.

La differenza tra conduttori, semiconduttori e isolanti è determinata da quanto facilmente gli elettroni (o i buchi) possono muoversi attraverso il materiale cristallino. Il movimento (delocalizzazione) degli elettroni, o la loro localizzazione su o tra particolari atomi, è determinato dal legame chimico. In un cristallo, è necessario considerare le interazioni di legame ripetute tra i molti atomi piuttosto che solo le interazioni di legame tra due atomi in una molecola isolata.

Consideriamo l’analogia di legame tra la molecola di idrogeno, H2, e un ipotetico cristallo di idrogeno unidimensionale, Hn, rappresentato simbolicamente nella Figura 1. Ogni atomo di idrogeno ha un elettrone in un orbitale atomico. Quando due atomi di questo tipo sono uniti, gli elettroni sono condivisi tra loro in un orbitale molecolare di legame, σ, dove gli orbitali sono in fase tra loro. Si crea anche un orbitale anti-bonding, σ*, ad energia più alta con i due orbitali fuori fase l’uno rispetto all’altro. Una situazione di legame stabile si crea quando la configurazione degli elettroni riempie gli orbitali molecolari di legame e lascia vuoti gli orbitali molecolari di antibonding.

Quando un numero approssimativamente infinito di atomi viene riunito per formare un cristallo, essi portano con sé un numero infinito di orbitali e di elettroni corrispondenti. Quando tutti questi orbitali sono in fase, si ottiene l’orbitale cristallino a più bassa energia. Quando sono tutti fuori fase, si ottiene l’orbitale cristallino di più alta energia. Ma con un numero quasi infinito di atomi, e quindi un numero quasi infinito di orbitali atomici, ci deve essere un numero quasi infinito di orbitali cristallini formati con energie intermedie tra i livelli più leganti e più antileganti. Questo insieme di orbitali cristallini viene chiamato banda di energia.

Ogni banda può essere riempita di elettroni in modo simile al riempimento di una bottiglia di plastica con sabbia. Se quella bottiglia di sabbia è completamente piena, è possibile inclinarla o anche capovolgerla e i granelli di sabbia non si muovono. Se la bottiglia di plastica non è completamente piena (cioè, una fascia parzialmente riempita), allora i granelli di sabbia possono facilmente muoversi quando la bottiglia viene inclinata. Non sono localizzati in una posizione, ma delocalizzati sulla superficie superiore. In modo simile, gli elettroni di una banda parzialmente riempita sono delocalizzati attraverso il cristallo e possono condurre l’elettricità. L’energia dei livelli più alti riempiti è chiamata energia di Fermi.

Comprensione della conduttività

Un conduttore metallico è una sostanza che ha una banda parzialmente riempita. Ci vuole pochissima energia per spostare gli elettroni da un livello riempito a un livello vuoto in una banda; questo si traduce in un’alta conduttività perché non c’è un gap energetico al livello di Fermi. Quando la temperatura di un conduttore metallico viene abbassata, la conduttività aumenta perché il movimento termico degli atomi nel cristallo viene rallentato, permettendo agli elettroni di muoversi più facilmente.

Al contrario, sia i semiconduttori che gli isolanti hanno strutture di banda in cui tutte le loro bande elettroniche sono o completamente piene o completamente vuote. Poiché i cristalli reali hanno più di un orbitale, a differenza dell’esempio dell’idrogeno, ci saranno diverse bande che danno origine alla struttura della banda elettronica. Le bande piene di elettroni si trovano al di sotto dell’energia di Fermi e le bande a energia più alta sono vuote. La differenza di energia tra la parte più alta della banda piena e la parte più bassa della banda vuota è il band gap. La differenza tra un isolante e un semiconduttore è la dimensione del band gap. Un materiale con un band gap inferiore a circa 3,5 eV è considerato un semiconduttore, mentre i materiali con band gap più grandi sono isolanti. In un semiconduttore, la banda piena sotto il livello di Fermi è chiamata banda di valenza e la banda vuota sopra il livello di Fermi è chiamata banda di conduzione.

Se viene fornita sufficiente energia a un semiconduttore, un elettrone può essere promosso dalla banda di valenza alla banda di conduzione; questo crea anche un buco nella banda di valenza. L’elettrone promosso alla banda di conduzione e/o il buco lasciato nella banda di valenza possono essere delocalizzati attraverso il cristallo, con conseguente conduttività elettronica. La grandezza della conduttività è fortemente determinata dall’energia fornita al semiconduttore. Per questo motivo, la conduttività di un semiconduttore aumenterà con l’aumentare della temperatura.

La chimica dei semiconduttori

Le proprietà di un semiconduttore sono determinate dalla composizione elementare del materiale, dalla sua struttura e dalla presenza di eventuali impurità. Le impurità, comunemente chiamate droganti, aggiungono proprietà estrinseche al semiconduttore, rispetto alle proprietà intrinseche al materiale puro stesso.

Semiconduttori intrinseci. I quattordici elementi del gruppo carbonio, silicio, germanio e stagno possono essere trovati per adottare la struttura cristallina di tipo diamante mostrata nella Figura 3a. Si trovano anche altre strutture cristalline; per esempio, la grafite e il diamante sono strutture cristalline diverse dello stesso elemento, il carbonio. A causa delle sue dimensioni e delle energie orbitali, il carbonio forma legami molto

forte, quindi nel diamante c’è una grande separazione di energia tra le bande di legame e di anti-bonding. Questo si traduce in un grande band gap di 6,0 eV, rendendo il diamante un isolante. Al contrario, il legame tra gli elementi più pesanti (silicio, germanio e stagno) non è così forte, quindi il band gap diminuisce scendendo lungo la colonna della tavola periodica: silicio, 1,1 eV; germanio, 0,7 eV; e stagno grigio, 0,1 eV. Inoltre, a temperature inferiori ai 13°C (55°F), lo stagno subisce un riarrangiamento cristallino nella struttura dello stagno bianco che non ha band gap perché è metallico.

I semiconduttori composti sono composti da più di un elemento e danno la possibilità di regolare chimicamente la dimensione del band gap. I semiconduttori composti tipici combinano elementi del gruppo tredici e del gruppo quindici della tavola periodica. Questi semiconduttori composti adottano anche una struttura cristallina di tipo diamante, ma con alternanza dei tipi di atomi nella rete cristallina (Figura 3b). Combinando elementi con tre e cinque elettroni di valenza (come alluminio e fosforo, rispettivamente) – una media di quattro elettroni per atomo – si ottiene un materiale con proprietà simili al silicio con quattro elettroni di valenza. Tuttavia, poiché gli orbitali del fosforo sono più bassi in energia e gli orbitali dell’alluminio sono più alti in energia rispetto al silicio, si osserva un band gap maggiore per il semiconduttore composto AlP (3,0 eV). La combinazione degli elementi più pesanti gallio e arsenico formerà l’arseniuro di gallio (GaAs), con un band gap di 1,4 eV. Una chimica simile è possibile combinando elementi dei gruppi dodici e sedici, che, per esempio, producono i semiconduttori solfuro di zinco (ZnS) e seleniuro di cadmio (CdSe), con band gap di 3,8 eV e 1,8 eV, rispettivamente.

Dopanti nei semiconduttori. La purezza di un semiconduttore di grado elettronico deve essere superiore al 99,999%. Il controllo della quantità e del tipo di impurità, tuttavia, può mettere a punto le proprietà del semiconduttore. Per esempio, l’aggiunta di un’impurità di fosforo (con cinque elettroni di valenza) al silicio (con quattro elettroni di valenza) aggiunge effettivamente un elettrone in più per ogni atomo di fosforo aggiunto al cristallo. Così il fosforo è un donatore al silicio. Gli atomi di fosforo drogante sposteranno gli atomi di silicio nel cristallo, ma la struttura generale del cristallo non cambia, né la struttura della banda. L’elettrone in più deve andare nella banda di conduzione, tuttavia, poiché la banda di valenza era già piena. Questo produce un semiconduttore di tipo n. Al contrario, il drogaggio del silicio con l’alluminio fornisce un numero troppo basso di elettroni, lasciando un buco nella banda di valenza per ogni atomo di alluminio aggiunto. Così l’alluminio è un accettore di silicio. Avendo perso elettroni, i buchi portano una carica positiva, formando un semiconduttore di tipo p. Poiché il divario di energia tra i livelli del donatore e la banda di conduzione (En) o tra i livelli dell’accettore e la banda di valenza (Ep) è molto piccolo, questi semiconduttori drogati esibiranno una maggiore conducibilità e una dipendenza dalla temperatura molto minore di quella che si osserva per un semiconduttore intrinseco.

La giunzione P-N. Il livello di Fermi di un semiconduttore di tipo p è più basso in energia di quello di un semiconduttore di tipo n. Quando i semiconduttori di tipo p e n sono uniti, un livello di Fermi comune è creato dalla combinazione di buchi ed elettroni all’interfaccia. Nessun portatore è presente in questa zona di esaurimento alla giunzione. Quando si applica una tensione positiva al lato di tipo p della giunzione p-n e una tensione negativa al lato di tipo n, la corrente può fluire poiché la tensione positiva spinge i fori verso il catodo negativo e la tensione negativa spinge gli elettroni liberi verso l’anodo positivo. Al contrario, collegare la batteria al contrario aumenterà la dimensione della zona di esaurimento, perché la tensione negativa collegata al lato p della giunzione tirerà più buchi verso quell’elettrodo e la tensione positiva collegata al semiconduttore di tipo n tirerà gli elettroni verso l’elettrodo e lontano dalla giunzione, lasciando una zona di esaurimento più grande. Come risultato non ci sono portatori liberi e nessuna corrente può fluire. Così questa giunzione p-n forma il più semplice dispositivo a stato solido, noto come diodo.

Diodi. I diodi sono essenzialmente valvole unidirezionali per la conduttività elettronica. Un tale dispositivo è molto importante in un alimentatore che converte la corrente alternata in corrente continua, necessaria per molti dispositivi elettronici. Il collegamento di un singolo diodo a un circuito elettrico AC bloccherà le oscillazioni di tensione positive o negative, descritto come mezza rettifica. Il collegamento di quattro diodi (come mostrato nella Figura 6) darà una raddrizzatura ad onda intera, convertendo la corrente alternata in continua. L’aggiunta di condensatori a questo circuito appianerà le oscillazioni di tensione per il funzionamento effettivo del dispositivo.

Quando la corrente elettrica passa attraverso qualsiasi giunzione p-n, gli elettroni che viaggiano attraverso la banda di conduzione o i buchi che viaggiano attraverso la banda di valenza possono ricombinarsi con buchi o elettroni, rispettivamente, attraverso il band gap. Questa ricombinazione avviene principalmente agli elettroni che sono stati spinti nella regione di tipo p del diodo e ai buchi che sono stati spinti nella regione di tipo n del diodo dalla tensione esterna. Quando gli elettroni e i buchi si ricombinano attraverso il band gap, l’energia viene rilasciata, spesso come un fotone con un’energia uguale a quella del band gap. I semiconduttori con band gap tra 1,8 eV e 3,1 eV emettono fotoni di luce visibile (dal rosso al viola). Questi sono conosciuti come LED. In realtà, tutti i diodi emettono luce, ma la maggior parte ha un band gap che è più piccolo dell’energia di un fotone visibile.

Come risultato, la maggior parte dei diodi emette fotoni infrarossi. Tale emissione infrarossa è usata per la segnalazione in molti dispositivi di controllo remoto.

Transistor. I transistor sono dispositivi di commutazione e amplificazione a stato solido, ed è stata la loro invenzione nel 1947 che ha veramente iniziato la rivoluzione elettronica del tardo ventesimo secolo. Un transistor bipolare n-p-n è formato dal collegamento di semiconduttori di tipo n su entrambi i lati di un sottile semiconduttore di tipo p. Come mostrato nella Figura 7, il transistor agisce come un interruttore per il circuito collegato all’alimentazione a 10 V. Se una piccola tensione negativa viene applicata alla base (contatto B), i fori vengono rimossi dal semiconduttore di tipo p, creando una barriera isolante. Questo è lo stesso processo che cercare di forzare la corrente nel modo sbagliato attraverso due giunzioni p-n. Come risultato, nessuna corrente scorrerà tra uno qualsiasi dei contatti. Se una piccola tensione positiva viene applicata al contatto di base, tuttavia, una certa corrente scorrerà attraverso il circuito di controllo (elettroni che vanno dall’emettitore alla base). Poiché la tensione fornita tra l’emettitore (contatto E) e il collettore (contatto C) è molto più grande della tensione di base, una frazione molto maggiore degli elettroni attraverserà il sottile strato di tipo p, dando la corrente di collettore molto più grande.

Come descritto sopra, il transistor funziona come un semplice dispositivo on/off, a seconda del segno della tensione applicata alla base e all’emettitore. Poiché la corrente di base è piccola e la corrente di collettore è grande, questo stesso dispositivo a stato solido può essere utilizzato anche come amplificatore di segnale. Il rapporto tra la corrente di collettore e la corrente di base è essenzialmente costante per un dato dispositivo. Poiché la corrente di base è proporzionale alla tensione base-emettitore (tensione tra B ed E) e la corrente di collettore è proporzionale alla tensione emettitore-collettore (tensione tra E e C), una piccola oscillazione nella tensione in ingresso da un microfono, per esempio, nel loop BE sarà

amplificata in una grande oscillazione nella tensione nel loop EC, che poi può essere collegata a un altoparlante.

Anche se combinazioni variabili di semiconduttori possono essere fabbricate in molti diversi dispositivi a stato solido, il funzionamento del dispositivo dipende fortemente dalla chimica degli elementi che compongono i semiconduttori. Il legame tra gli elementi che compongono i semiconduttori determina la struttura della banda elettronica e la dimensione del band gap. Il numero di elettroni di valenza determina il riempimento di queste bande e quindi le proprietà elettroniche. Gli sforzi di ricerca in corso continuano a scoprire nuovi semiconduttori con nuove possibili applicazioni. Inoltre, si sta investendo molto per progettare dispositivi sempre più piccoli con l’obiettivo di passare da dispositivi a stato solido (basati su materiali cristallini) a dispositivi a singola molecola.

James D. Martin

Bibliografia

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Ellis, Arthur B.; Geselbracht, Margret J.; Johnson, Brian J.; Lisensky, George C.; and Robinson, William R. (1993). Insegnare la chimica generale: A Materials Science Companion. Washington, DC: American Chemical Society.