FISICA DEI SEMICONDUTTORI

Maristella Fracastoro

Liceo “Volterra”

Ciampino

Seminari di Fisica Moderna

• Fisica dei semiconduttori (M. Fracastoro)

• Relatività ristretta (E. Giaché)

• Relatività generale (V. Fafone)

• Meccanica quantistica (O. Di Biagio)

Perché questi seminari di fisica?

Progetto Fisica Moderna(dal 2003 in questa scuola)

• Scopi:– Diffondere la conoscenza delle tematiche di cui si

interessa la Fisica oggi

– Costituire uno spunto per approfondimenti da realizzare in classe e/o per eventuali tesine di maturità

– Incentivare l’interesse verso le Facoltà scientifiche (progetto Lauree Scientifiche, con l’Università di TorVergata - iniziato nel 2005 - per poche scuole “pilota”, tra cui la nostra)

Naturalmente…..

Perché questi seminari di fisica?

…Naturalmente non possiamo dare

conoscenze approfondite, ma ci piacerebbe

che usciste con qualche informazione in più di

quando siete entrati!

Per questo, alla fine vi verrà proposto un

questionario!!

Le tappe principali della Fisica

classica

• Galileo (1564-1642): metodo sperimentale

• Newton, 1687:

“Philosophiae naturalis principia mathematica”

• Carnot, Kelvin, Clausius, Mayer, Boltzmann

(XIX secolo):

Principi della Termodinamica

• Maxwell, 1873:

“Treatise on electricity and magnetism”

Crisi della Fisica classica

Alla fine dell’800, proprio quando si era raggiunta una sintesi dell’elettromagnetismo ad opera di Maxwell, nuovi problemi sono in agguato….

…Infatti:

• Come spiegare:�L’effetto fotoelettrico?

�Lo spettro del corpo nero?

• Dove trovare:� Il sistema di riferimento in cui la luce aveva la velocità

prevista dalle equazioni di Maxwell?

FISICA MODERNA

(1900)

• Relatività

• Meccanica Quantistica

FISICA MODERNA

(1900)

• Relatività

• Meccanica

Quantistica

Fisica delle particelle

elementari

Fisica della materia

condensata

Fisica della materia condensata

�Proprietà ottiche, elettriche, meccaniche,

magnetiche dei materiali:

• Semiconduttori

• Superconduttori

• Materiali ferromagnetici

�Nanotecnologie e nanoscienze

Semiconduttori

Che cosa sono e quali sono le loro applicazioni?

�Sono materiali con una conducibilità intermedia tra quella di un buon conduttore e quella di un buon isolante

�Possono essere usati, tra l’altro, per le seguenti applicazioni:

Diodi, transistor, laser, LED

Celle solari

Breve storia dei semiconduttori

• Sono stati scoperti da Faraday nel 1833, poiché

sono materiali con un comportamento anomalo

della conducibilità in funzione della temperatura

(la resistività diminuisce all’aumentare della

temperatura, anziché aumentare, come nei

normali conduttori).

Resistenza elettrica

R = ρ l / S (2a legge di Ohm)

l = lunghezza del conduttore; S = sezione del conduttore;

ρ = ρ0 (1 + α ∆t)

è la resistività del materiale.

Nei conduttori essa aumenta all’aumentare della temperatura (α positivo).

Invece, nei semiconduttori, essa diminuisceall’aumentare della temperatura (α negativo). In altre parole, la conducibilità migliora, anzichépeggiorare, all’aumentare di t.

Semiconduttori

• Sono stati sviluppati negli anni dal 1940 in poi:

Bardeen, Shockley e Brattain inventarono il

primo transistor nel 1947 (Nobel nel 1956).

Il primo transistor al Silicio

I semiconduttori

hanno rivoluzionato la

nostra vita pratica!

Caratteristiche particolari dei

semiconduttori

• Possono essere “drogati”

• La loro conducibilità può essere controllata a

seconda del grado di “drogaggio”

• Possono costituire la base per dispositivi “di

stato solido” che sostituiscono le vecchie valvole

termoioniche, con grande economia di costi e di

spazio

Silicio

il semiconduttore più diffuso e

studiato

Silicio: il semiconduttore più

diffuso e studiato

Struttura di un semiconduttore

tipicoEsempio: cristallo di Si

Il Si puro (o intrinseco) possiede nello strato più esterno 4 elettroni di valenza, che formano 4 legami covalenti con gli atomi vicini.

Allo stato puro, il Si non è un buon conduttore, perché non vi sono elettroni liberi per la conduzione.

Però….

si può ricorrere al drogaggio, migliorando la conduzione del Si tramite l’inserimento di atomi di elementi diversi.

Drogaggio del Silicio

Drogaggio (doping) = introduzione di atomi

di un altro elemento nel cristallo di silicio

per modificarne le proprietà elettriche.

Il silicio appartiene al IV gruppo

della tabella di Mendeleev

Drogaggio del silicio

Drogaggio (doping) = introduzione di atomi di un altro elemento nel cristallo di silicio per modificarne le proprietà elettriche.

Il materiale drogante, con 5 elettroni di

valenza (fosforo), rispetto ai 4 del Si,

ha un elettrone in più, che può essere

ceduto facilmente alla rete: il Si si dice

drogato tipo-n.

Il materiale drogante, con 3 elettroni di

valenza (boro), rispetto ai 4 del Si, ha

un elettrone in meno (una lacuna in

più) che può essere occupata da un

elettrone vicino: il Si si dice drogato

tipo-p.

Silicio tipo n

Il materiale drogante, con 5 elettroni di valenza (fosforo),

rispetto ai 4 del Si, ha un elettrone in più, che può essere

ceduto facilmente alla rete:

Il Si si dice drogato tipo-n.

Silicio tipo p

Il materiale drogante, con 3 elettroni di valenza (boro), rispetto ai 4

del Si, ha un elettrone in meno (una lacuna in più) che può essere

occupata da un elettrone vicino:

Il Si si dice drogato tipo-p.

Moto di una lacuna

Posto vuoto

Auto

Il posto vuoto si “sposta” nel verso opposto a quello delle auto

La lacuna si “sposta” nel verso opposto a quello degli elettroni

Moto delle auto

Moto delle lacune

Esempio di semiconduttore drogato:

il diamante blu

Il diamante Hope – il diamante blu più grande al mondo – ha più di un miliardo di anni. E’ un semiconduttore drogato, formatosi nelle viscere della Terra e portato in superficie da un’eruzione vulcanica nell’attuale Golconda, in India. Dall’epoca in cui è stato trovato, ai primi del ‘600, il diamante ha avuto alterne vicende. Ai primi dell’800 fu venduto al re Giorgio IV d’Inghilterra e quando questi morì, nel 1830, i suoi debiti erano talmente enormi che il diamante venne venduto tramite canali privati. Nel 1839 la gemma entrò a far parte della ben nota collezione di Henry Philip Hope, l’uomo da cui prese il nome.

Giunzione pn

• Ponendo a contatto fra loro una lamina di silicio tipo p (p-Si) e una di silicio tipo n (n-Si), si ha il passaggio di elettroni dalla seconda lamina alla prima (elettroni che vanno ad occupare le lacune).

• In questo modo, n-Si si carica positivamentementre p-Si si carica negativamente. Nella regione della giunzione, si viene a creare una barriera di potenziale tra i due tipi di Si, che impedisce un ulteriore passaggio di elettroni da un materiale all’altro.

Giunzione pn

Giunzione pn

Giunzione all’equilibrio

Giunzione polarizzata

direttamente

Giunzione polarizzata

inversamente

La corrente passa

La corrente non passa

Giunzione pn

come diodo• La giunzione pn costituisce la base di un diodo

(raddrizzatore di corrente).

Infatti:

• Tramite l’applicazione di una d.d.p. esterna, la barriera di potenziale può essere abbassata o alzata.

• Nel primo caso, altri elettroni possono fluire attraverso la barriera e quindi passa corrente.

• Nel secondo caso, gli elettroni non possono passare attraverso la giunzione e la corrente non fluisce.

• Dunque: si ha passaggio di corrente solo in un verso.

In conclusione:

Unendo fra loro

n-Si + p-Si

si ottiene una giunzione pn

• Nella giunzione pn la corrente passa solo in un verso e

non nel verso opposto

• Quindi:

la giunzione pn funge da “raddrizzatore di corrente”

(diodo)

Storia del Silicio

Un moderno circuito integrato

Altri usi delle giunzioni pn

LED: Light emitting diodes

Funzionano all’inverso di una cella FV:

Un elettrone si ricombina con una lacuna, emettendo un

fotone, il cui colore dipende dalla lunghezza d’onda:

Rosso, giallo, verde… recentemente è stato realizzato anche

il blu (e il bianco come sovrapposizione di colori).

OLED

Organic Light-Emitting Diodes

Confronto tra gli OLED e altre fonti tradizionali di illuminazione

Cella solare fotovoltaica

Cella solare

Giunzione pn e cella solare

fotovoltaica• Quando la luce colpisce una giunzione pn, ogni fotone

estrae un elettrone dal suo livello energetico e lo porta ad un livello maggiore: si crea una coppia elettrone-lacuna.

• Se questo processo avviene vicino alla barriera di potenziale, questa separa le cariche, che fluiscono ai contatti esterni costituendo una corrente elettrica.

Conclusione:

la luce è stata trasformata in una corrente elettrica

Funzionamento di una cella solare fotovoltaica

1) Un fotone di energia appropriata

viene assorbito dal Silicio

vicino alla giunzione pn

Silicio tipo n

Silicio tipo p

Giunzione

3) La barriera di potenziale esistente nella giunzione pn

separa l’elettrone dalla lacuna

4) Si crea una corrente elettrica nel circuito esterno

2) Si crea una coppia

elettrone-lacuna

M1

Diapositiva 43

M1 Funzionamento di una cella solare fotovoltaicaMa&Flo; 27/03/2006

La cella fotovoltaica

Principi fisici

λ

Efotλ

nEλ

1.0 2.0

5800K

Spettro di un corpo nero a 5800 K, simile a quello del Sole

Energia di un fotone al variare della sua lunghezza d’onda

Per un semiconduttore in

silicio a 20 °C una energia

di 1.12 eV (equivalente a λ

= 1.1 µm) è sufficiente per

liberare un elettrone dalla

sua banda di valenza.

L’elettrone e la lacuna

generati dall’interazione

possono produrre una

corrente elettrica.

I fotoni con energia inferiore a 1.12 eV (λ>1.1 µm) hanno insufficiente energia. Si perde il 23% dell’energia solare. Quelli con λ<1.1 µm possono generare solo una coppia di portatori “elettrone libero-lacuna”, il resto produce solo il riscaldamento del semiconduttore.

Come risultato si utilizza al max solo il 44 % dell’energia. Ma la potenza utilizzabile in una tipica cella fotovoltaica realizzata in Silicio non supera il 25 %.

Efficienza di una cella solare al

Silicio

BERKELEY, CA— Materials Sciences Division (MSD) of

Lawrence Berkeley National Laboratory

Una scoperta inaspettata potrebbe fornire una cella solare

che usa tutto lo spettro del sole (2002)

Il sistema delle leghe del tipo

In1-xGaxN sfrutta tutto lo spettro

solare

Impieghi delle celle solari

irrigazioneIlluminazione interna

Impieghi delle celle solari

telecomunicazioni

monitoraggio

Impieghi delle celle solari

Satelliti

Auto solari

Solar Cells

Aereo solare

L’aereo solare NASA Helios stabilisce un nuovo record di altezza

(più di 29000 m)

Energia: quale futuro?

Torre eolica

La centrale fotovoltaica di Serre

(Salerno) (2,3 MW)

Solare Termodinamico

(Progetto Archimede, C.Rubbia)

Ma forse….

…Il futuro dell’energia è anche nell’usare

meno energia!