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Legame metallicoLegame metallico

MetalliSemimetalli

Non metalli

ProprietProprietàà metallichemetalliche• elevata conducibilità elettrica (�1/T) e termica• bassa energia di ionizzazione• elevata duttilità e malleabilità• non trasparenza• lucentezza• strutture cristalline molto compatte (n.c. 8-12)

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Legame metallicoLegame metallico

Deve essere descritto usando la meccanica ondulatoria

Si arriva ad ipotizzare:

•orbitali molecolari delocalizzati sull’intero cristallo

(orbitali molecolari di Bloch);

•bande di energia.

Dalla teoria degli orbitali molecolari sappiamo che combinando due orbitali atomici otteniamo due orbitali molecolari, uno di legame e uno di antilegame.In generale combinando n orbitali atomici otteniamo n orbitali molecolari; all’aumentare del numero di n la differenza di energia tra un orbitale e il successivo tenderà a ridursi fino a diventare infinitesima per valori di n tendente al numero di Avogadro

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Solidi metallici

Le strutture metalliche sono caratterizzate da numeri di coordinazione molto elevati, da elevata compattezza e coesione.

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Strutture cristalline compatteStrutture cristalline compatte

Esagonale compatta

Cubica a facce centrate

Cubica a corpo centrato

�

�

�

�

�

�

n. coord=12

n. coord=12

n. coord=8

Be, Mg, Ca, Zn, Cd

Ni, Pt, Pd, Cu, Ag, Au, Al, Pb

Li, Na, K, Rb, Cs, Cr, Mo

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Legame metallico Legame metallico -- La teoria delle bandeLa teoria delle bande

Costruzione di un reticolo metallico (es. Na)

Na31 NaNNa4Na3Na2Na

OA3s

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Conduttori, isolanti e semiconduttori

Conduttore: banda di valenza solo parzialmente riempitabanda di valenza satura ma sovrapposta con bande vuote

1sN OM

2sN OM

2p3N OM

E

Li: 1s22s1

2N e-

N e-

2N e-

2N e-

E

Be: 1s22s2

1sN OM

2sN OM

2p3N OM

7

ProprietProprietàà metallichemetalliche

• elevata conducibilità elettrica e

termica

• bassa energia di prima ionizzazione

• elevata duttilità e malleabilità

• non trasparenza e lucentezza

Conduttori, isolanti e semiconduttori

EBanda di conduzione

Conduttore

Banda di valenza

8

Conduttori, isolanti e semiconduttoriConduttori, isolanti e semiconduttoriIsolanti:

banda di valenza satura e separata dalla banda di conduzione da un dislivello (GAP) energetico molto elevato

E

1s2

N OM

2(sp3)4

4N OM

C: 1s22s22p2 → 1s22(sp3)4

∆E = 5,6 eV

2N livelli energetici corrispondenti a 2N orbitali molecolari completamente vuoti

2N livelli energetici; gli orbitali molecolari corrispondenti ospitano 4N elettroni

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Si e Ge hanno la struttura cubica del diamante, con coordinazione tetraedrica.

1060,08Stagno grigio

2.20,72Germanio

5 ·10-41,1Silicio

10-125,6Carbonio (diamante)

Conducibilità(S m-1)

E GAP(eV)

ElementoIV gruppo

Isolante a T amb.,semiconduttore intrinseco a 1000°C

Se puro è semic. intrinseco a T amb.Poiché necessita di un livello di impurezze molto basso, è molto usato come semic. estrinseco.

Può essere facilmente purificato per diventare semic. intrinseco a T amb.

Il legame è covalente e l’ampiezza del gap fra banda di valenza e banda di conduzione diminuisce con il diminuire della forza di legame.

Conduttori, isolanti e semiconduttori

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Conduttori, isolanti e semiconduttoriConduttori, isolanti e semiconduttoriSemiconduttori:

banda di valenza satura e separata dalla banda di conduzione da un dislivello (GAP) energetico piccolo

E

3(sp3)4

4N OM

Si: [Ne]3s23p2 → [Ne]3(sp3)4

∆E = 1.1 eV

11

Conduttori, isolanti e semiconduttoriConduttori, isolanti e semiconduttori

E

4(sp3)4

4N OM

Ge: [Ar]3d104s24p2 →[Ar]3d104(sp3)4

∆E = 0.7 eV

Semiconduttore

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Conduttori, isolanti e semiconduttoriConduttori, isolanti e semiconduttori

Gap ∆E

energia

Irraggiamento (hν =∆E) (fotoconduzione)Eccitazione termica (termoconduzione)

Meccanismo di conduzione elettrica nei semiconduttori puri (INTRINSECI)

���� ���� ����

���� ���� ����

Conduzione di tipo n (elettroni)

Conduzione di tipo p (lacune)

Conducibilità ∝ T

e-

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Drogaggio dei semiconduttori intrinseciDrogaggio dei semiconduttori intrinseci

Banda di valenza

Banda di conduzione

Conduzione di tipo p

0.1 eV

Drogaggio di tipo p

Drogaggio di tipo p

Elementi III gruppoB, Al, Ga, In, Tl

Elementi III gruppoB, Al, Ga, In, Tl

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0.1 eV

Drogaggio dei semiconduttori intrinseci

Banda di valenza

Banda di conduzione Conduzione di tipo n

Drogaggio di tipo n

Drogaggio di tipo n

Elementi V gruppoP, As, Sb, Bi

Elementi V gruppoP, As, Sb, Bi

15

16

Hanno la struttura cristallina della blenda (ZnS, cubica), che è legata strettamente a quella del diamante.

8

O6

C

80

Hg

52

Te51

Sb50

Sn49

In48

Cd

34

Se33

As32

Ge31

Ga30

Zn

16

S15

P14

Si13

Al

VIaVaIVaIIIaIIb

III-VII-VI

SEMICONDUTTORI COMPOSTI

Composti fra elementi del IV gruppo

17

Alcuni composti covalenti fra elementi del IV gruppo sono semiconduttori, altri isolanti.

SiC : ha 2 forme cristalline correlabili alla struttura cubica del diamante.isolante a T ambsemiconduttore intrinseco a T>500°C, se purosemiconduttore estrinseco di tipo p con piccole quantità di Alsemiconduttore estrinseco di tipo n con piccole quantità di N

SEMICONDUTTORI COMPOSTI

18

0,0708,000,18InSb

0,0102,300,33InAs

0,0160,601,27InP

0,0850,500,70GaSb

0,450,851,34GaAs

0,0020,0452,25GaP

0,0200,1401,52AlSb

--2,3AlAs

--3,0AlP

Mobilità lacune(m2/Vs)

Mobilità e-

(m2/Vs)GAP (eV)Materiali

All’aumentare della dimensione atomica all’interno di una famiglia, diminuisce il GAP ed aumenta la mobilità degli e-. Gli e- negli atomi piùgrandi sono meno legati al nucleo.

Composti III-V

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Composti III-V

0,72

2,44

5,62

Ge

1,34

2,44

5,63

GaAs

0,08

2,80

6,46

Sn grigio

0,113,01,1GAP (eV)

2,802,342,42Separazione interatomica (Å)

6,485,425,42Dimensioni cella unitaria (Å)

InSbAlPSi

GaAs + impurezze di Ge → conduzione di tipo nse Ge sostituisce Ga

→ conduzione di tipo pse Ge sostituisce As

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Composti II-VI

3,3

0,33

0,27

0,37

1,45

1,8

2,45

GAP (eV)

ZnO

PbTe

PbSe

PbS

CdTe

CdSe

CdS

Materiali

Sono utili come rivelatori di radiazioni.

Vantaggi dei dispositivi a semiconduttori composti•Tecniche di fabbricazione molto versatili•Ricchezza di fenomeni fisici (soprattutto quantistici) sfruttabili•Grande flessibilità di caratteristiche funzionali•Regolazione su misura delle caratteristiche del dispositivo•Dimensioni ridottissime (transistor fino a 20 nm per particolari applicazioni)