I metalli e i I metalli e i semiconduttori, le semiconduttori, le

proprietà elettriche. proprietà elettriche. Applicazioni: i sensori,.. Applicazioni: i sensori,..

dott.ssa Daniela Cavalcoli Dip di Fisica

Università di Bologna

Avvertenza

Per utilizzare questo file in tutte le sue funzioni e vedere le animazioni, conviene salvare la presentazione su una cartella del proprio computer insieme al file-archivio VIDEO.RAR Una volta decompresso l’archivio, verranno create due sottocartelle /video/Cap01 e /video/Cap02 contenenti i filmati.

Filmati: R. Fieschi “Dal silicio al computer” proprietà ed applicazioni dei semiconduttori.

Versione on-line: http://archimedes.infm.it/dsac/

Indice

• Andiamo a vedere cosa succede “dentro” un solido! Dal macroscopico al microscopico. – I legami chimici. – Il legame covalente

• I metalli• I semiconduttori• La conducibilità elettrica

– La struttura a bande– Dipendenza della conducibilità elettrica dalla

temperatura

• Le applicazioni e l’attività di ricerca

Dal macroscopico al microscopico.(animazione).

Che cos’è un solido?atomi molecole solidi

Quando due atomi vengono avvicinati tra loro, si genera una forza che causa una distorsione delle loro nubi elettroniche ed un cambiamento dei livelli energetici.

ANIMAZIONE: le molecoleDurante la formazione dei legami chimici, gli atomi raggiungono una situazione di maggiore stabilità . L’energia totale del sistema costituito dai due atomi legati insieme è minore dell’energia totale del sistema costituito dai due atomi separati.

ENERGIA

(a)

(b)

Atomo: struttura atomica. Richiamo

ANIMAZIONE orbitali atomici ad ogni orbitale →un livello energetico (discreto)

ANIMAZIONE: gli atomi

I legamicovalente, ionico, metallico

Elettronegatività è una grandezza che misura “ la forza” con cui ogni atomo tiene legati a sé i

suoi elettroni

Il legame covalenteIl legame covalenteIl legame covalente (o

omopolare) consiste in una distribuzione uniforme della

carica elettronica nello spazio compreso tra i due atomi.

Animazione

Il legame ionicoIl legame ionico Un legame ionico si forma fra atomi

che hanno una forte differenza di elettronegatività (> 1,7).

Il legame metallicoIl legame metallicoI metalli hanno bassa energia di ionizzazione (quantità di energia necessaria per strappare

un elettrone a un atomo neutro) e di elettronegatività. Quindi i loro elettroni

esterni sono attratti debolmente dai rispettivi nuclei, e se ne separano

facilmente.Animazione: i metalli, struttura elettronica

I metalli

La libertà di movimento degli elettroni è all’origine delle proprietà dei metalli

(animazione)

Circa i quattro quinti di tutti gli elementi sono metalli, che sono tutti solidi tranne il mercurio (Hg).

• conducibilità elettrica

• conducibilità termica

• lucentezza

• malleabilità e duttilità

Il legame covalente e metallico. Distribuzione degli elettroni

Il legame covalente si esercita tra molte delle molecole esistenti: Biatomiche (H2, N2, O2 ..) Poliatomiche(CO 2, CH 4, ecc.) in alcune molecole organiche in molti solidi (diamante, Si,Ge ecc.)

Gli elettroni che possono Gli elettroni che possono prendere parte ad un legame prendere parte ad un legame covalente sono detti covalente sono detti elettroni elettroni di valenzadi valenzaCome si forma un solido?Come si forma un solido?Dagli orbitali atomici agli Dagli orbitali atomici agli orbitali cristalliniorbitali cristallini (animazione)

In che modo la struttura elettronica di un solido dipende dal legame chimico?(animazione)

I solidiUn solido è costituito da atomi o molecole legati tra di loro in modo rigido

Cristalli disposizione regolare Esempi: silicio,SiC,GaNAmorfi disposizione irregolare Esempi: vetro, silicio-

poli e multi-cAnimazione

Solidi cristallini - Legame covalente. Un esempio: il diamante

Esistono solidi in cui gli atomi sono legati l’uno all’altro da legami covalenti e costruiscono un’unica struttura

(dove non si individuano singole molecole). Un esempio è il diamante, costituito da carbonio purocarbonio puro. Ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi di carbonio,

disposti intorno ad esso secondo i vertici di un tetraedro.

Il carbonio è inoltre “protagonista” di un fenomeno importante: il

polimorfismo dei solidi. Una certa sostanza cambiando temperatura e pressione durante la crescita, può assumere forme cristalline diverse.

La grafiteIl diamante

Polimorfismo

La conducibilità elettrica dei solidi

• Isolanti

• Conduttori

• Semiconduttori

A. Volta

L Galvani

Perché i solidi si comportano in modo così diverso rispetto

alla conduzione elettrica?

Definiamo innanzitutto che

cosa è la conduzione

elettrica

M Faraday

Legge di Ohm, conducibilità elettrica

Corrente elettrica e legge di Ohm

q tid

iR

Vi

R

V

RL

A

R

L

A

Current: (Amps)dq

dti corrente

Prima legge di Ohm, R= resistenza elettrica

Seconda legge di Ohm, ρ resistività

σ = 1/ρσ = 1/ρσ conducibilità

Qual è il meccanismo microscopico della conduzione elettrica nei solidi?

Il modello di Drude

G.S. Ohm

P Drude

I solidi hanno diverse conducibilità o resistività?

• I Metalli. Gli elettroni sono liberi di muoversi. La conducibilità diminuisce con la temperatura.

• I Semiconduttori. Allo zero assoluto non c’è conducibilità elettrica e la conducibilità cresce con la temperatura.

• Gli isolanti. Conducibilità zero in un ampio intervallo di temperature.

Resistività (cm) Materiale

<10 -3 Metalli

10 -3 < <10 5 Semiconduttori

>10 5 Isolanti

E come variano questi parametri con la temperatura?

Perché?

Come possiamo interpretare questo a livello microscopico?

E Fermi

P Dirac

C Maxwell

L Boltzmann

Formazione delle bande nei solidiConsideriamo un solido fatto con con una sostanza che abbia un solo orbitale s.Quando il numero di atomi che hanno orbitali che si sovrappongono cresce diminuisce la distanza tra i livelli energetici degli orbitali.Nel caso di N atomi (N=) i livelli energetici sono così vicini che appaiono come un continuo.

Animazione: bande di energia

Riempimento delle bande nei solidi

Le diverse proprietà elettriche derivano dal

diverso riempimento delle bande di energia nei solidi

Come avviene questo riempimento?

animazione

• A T = 0, tutti i livelli nella banda di conduzione sotto l’energia di Fermi EF sono riempiti con elettroni, mentre tutti i livelli al di sopra di EF sono vuoti.

• Gli elettroni sono liberi di muoversi negli stati vuoti della banda anche con solo un debole campo E, → elevata conducibilità elettrica!

• A T > 0, gli elettroni hanno una certa probabilità non nulla di essere termicamente eccitati da sotto a sopra il livello di Fermi.

Diagramma a bande: metalloT > 0

Funzione di Fermi

Bande di energia da

riempireEF

EC,V

Banda di conduzione parzialmente piena

E = 0

Diagramma a bande: isolante

• At T = 0, la banda di valenza è piena di elettroni mentre la banda di conduzione è vuota, → conducibilità zero.– Energia di Fermi EF è a metà di un largo gap energetico (2-10 eV) tra la banda

di valenza e di conduzione.

• A T > 0, gli elettroni NONNON sono eccitati termicamente dalla banda di valenza alla banda di conduzione →conducibilità zeroconducibilità zero. Nota: KT a T=300K è pari a 0.0259eV, quindi <<Egap

EF

EC

EV

Banda di conduzione(Vuota)

Banda di valenza(Piena)

Egap

T > 0

Diagramma a bande: semiconduttore non drogato

• A T = 0, la banda di valenza è piena di elettroni e la banda di conduzione vuota →conducibilità zeroconducibilità zero.– L’energia di Fermi EF è a metà di un gap piccolo (<1 eV) tra la

banda di conduzione e la banda di valenza.• A T > 0, gli elettroni vengono eccitati termicamente dalla

banda di valenza alla banda di conduzione, →conducibilità misurabileconducibilità misurabile.

EF

EC

EV

Banda di conduzione(parzialmente piena)

Banda di valenza(parzialmente vuota)

T > 0

Bande di energia per alcuni solidi

Energy gap

diamante 5,3 eV isolante

silicio 1,1 eV semiconduttore

germanio 0,7 eV semiconduttore

Quindi un semiconduttore non drogato si comporta quasi come un

isolante

Vediamo cosa vuol dire drogare un semiconduttore– Animazione drogare “n” es P in Si

– Animazione drogare “p” es B in Si

Drogare (doping) = aggiungere impurezze (poche!)

Aggiungendo queste poche impurezze la conducibilità cambia drasticamente! animazione

Concentrazione di impurezze(es doping in Si): = 1015cm-3/1022cm-3 = 10-7 piccola rispetto alla densità atomica del materiale!

Perché i solidi hanno diverse caratteristiche elettriche?

A causa del loro diverso diagramma a bande!

• Animazione 1 (isolanti e conduttori)

• Animazione 2 (semiconduttori)

2

2;

1

ne

m

m

ne

E come varia la resistività elettrica con la temperatura?

• Dalla teoria classica della conduzione elettrica nei solidi (modello di Drude) si ottiene che:

•Scattering time τ è il tempo medio tra le collisioni elettrone-atomi del reticolo

•n concentrazione elettronica, μ mobilità vd= μE

• Metallo: resistenza cresce con T • Perchè? T

• Semiconduttore: la resistenza decresce con T.• Perchè? T , n (la T libera elettroni per la conduzione)

Animazione 1

m

e ne

R(T) per un metallo

m

Tk

m

Ev

v

l Btt

t

urti 32;

cammino libero medio fra urti successivi

2

2;

1

ne

m

m

ne

T τ, ρ

Per un metallo al crescere di T aumenta Per un metallo al crescere di T aumenta ρρ e quindi R e quindi R

Velocità termica

• Semiconduttori: cresce la densità elettronica n Animazione 2

Che cosa succede per un semiconduttore?

Comportamento di R vs T metalli e semiconduttoriAnimazione 1

Riassumendo un semiconduttore ha:A T= 0K:-banda di valenza completamente occupata - banda di conduzione completamente vuota- piccolo gap di energie proibite Eg= 1,1 eV (Si); 0,7 eV (Ge); 1,4 eV (GaAs)A T>0K:- un elettrone può essere eccitato dalla banda di valenza a quella di conduzione- ogni elettrone che passa in banda di conduzione lascia un posto vuoto (buca) in banda di valenza- anche la buca in banda di valenza è “mobile”, perché può essere occupata da un elettrone che lascia a sua volta una buca e così via - sotto l’azione di un campo elettrico esterno il moto di deriva avviene sia in banda di conduzione che in banda di valenza

due contributi alla conducibilità: pn pene

contributo degli elettroni in banda di conduzione

contributo delle buche in banda di valenza

resistenza elettrica in semiconduttori debolmente drogati

zona “estrinseca”: tutti i portatori di maggioranza sono in banda di conduzione, la resistenza elettrica cresce linearmente con T perché cala la mobilità

zona “intrinseca”: i portatori “intriseci” cominciano a passare con crescente probabilità in banda di conduzione, la resistenza elettrica diminuisce esponenzialmente con T perché cresce la densità n di portatori

Conduciblità, semiconduttore drogato (tipo n)

• A basse T, in regime estrinsecoin regime estrinseco – Nd >> ni ; n>>p, → n= Nd + ni ≈ Nd

– n è indipendente da T, quindi σ = neμ = Nd eμ(T)

– → σ vs T come μ vs T (μ≈T-3/2)

• A T maggiori, in regime intrinsecoin regime intrinseco – gli elettroni “saltano” in banda di conduzione, Nd << ni,

– n ≈ ni, σ=neμe+ peμh visto che μ indip da T σ vs T come ni, vs T, in particolare ni≈T3/2 exp(-E

g /2KT)

Un plot semilogaritmico di σ vs T fornisce una linea retta di pendenza Eg(0)/2K

Per saperne di più

• S.M. Sze, “Fisica dei dispositivi a semiconduttore”, Tamburini editore.

• R.Fieschi “Stati e Trasformazioni della Materia”, NIS La nuova Italia Scientifica.

• CD: R. Fieschi “Dal silicio al computer” proprietà ed applicazioni dei semiconduttori (in Italiano,versione on-line http://archimedes.infm.it/dsac/)

• CD: R. Fieschi “EDUMAT” (italiano)

• CD: R. Fieschi“EDUMAT 2” (inglese) (per l’acquisto: Infmedia S.r.l. e-mail: info@infmedia.it pagina web: www.infmedia.it)

Semiconduttori

19502000

Le applicazioni dei semiconduttori

Le particolari proprietà fisiche dei semiconduttori li Le particolari proprietà fisiche dei semiconduttori li rendono adatti alla fabbricazione di vari rendono adatti alla fabbricazione di vari dispositivi, quali:dispositivi, quali:

• Diodi, transistor, circuiti integrati.Diodi, transistor, circuiti integrati.• Fotorivelatori.Fotorivelatori.• Laser (p.es. GaAs-AlGaAs)Laser (p.es. GaAs-AlGaAs)• Sensori (di pressione, campo magnetico, ecc.) Sensori (di pressione, campo magnetico, ecc.) • Termometri(Ge, Si, GaAs, ecc.) Termometri(Ge, Si, GaAs, ecc.) • Celle fotovoltaiche(Si, GaAs, ecc.).Celle fotovoltaiche(Si, GaAs, ecc.).

Che cosa facciamo? Qual è la nostra ricerca?

Gruppo SemiconduttoriSettore di Fisica della Materia

Dipartimento di FisicaUniversità di Bologna

www.df.unibo.it/semiconductors

SilicioEx: applicazioni in microelettronica

Il lingottoI wafer

I dispositivi

Il lingotto

Le fette

Le celle solariCelle solari trasparenti realizzate con film Si multicristallino

http://www.sunways.de/en/press/pictures/products/prosp_zelle2a.php

Ex: applicazioni fotovoltaiche

La centrale fotovoltaica di Serre è la più grande d'Europa ed ha una potenza superiore ai 3 Mw

Sviluppo e implementazione di metodiche diagnostiche in-line

per l’industria fotovoltaica

FAST-IQFAST-IQProgetto finanziato da UE (V PQ) Progetto finanziato da UE (V PQ) Collaborazioni industriali:Collaborazioni industriali:• RWE Scott- Solar (Germany 800 Staff, 220 M€ in 2004, in 2005 RWE Scott- Solar (Germany 800 Staff, 220 M€ in 2004, in 2005

130MW potenza)130MW potenza)• Photowatt (France, 350 Staff, 25MW potenza in 2004)Photowatt (France, 350 Staff, 25MW potenza in 2004)

Analisi di danno indotto da radiazioni ionizzanti (raggi X) in

rivelatori per applicazioni spaziali e elettromedicali

• Rivelatori di radiazione di nuova generazione (CZT) ottime prestazioni a temperatura ambiente e in formato compatto

• Applicazioni spaziali, mediche, di sicurezza ambientale e anti-terrorismo

• Collaborazione con EURORAD Strasbourg (FR), IASF e CEA Saclay(FR)

Celle solari flessibili a polimeri Economiche, facili da produrre

Tastiera a OLEDTelevisore a OLED

Materiali Organici

Emissione di luce dal Si

Progetti INFM Si-ErProgetto STREP NANOPHOTO UE (VI PQ), Progetto INTAS-CERN (UE, VPQ)

Collaborazione industriale:Microsharp Corporation Limited (MCL) (UK) (innovative light management technology for flat panel displays).

Work in progress…

Ai fisici piace porsi delle domande e trovare soluzioni a ogni problema

Finche’ in Natura ci sara’ qualcosa da capire, ci sara’

anche un fisico che cerchera’ di dare delle risposte

Per far questo il fisico, possiede una solida formazione di base ed una grande versatilita’, doti che lo rendono

particolarmente “prezioso” nel mondo del lavoro in svariati settori

Dove vanno i nostri laureati?

RT RI RE SW PMI GI H EcoFin Ins0

2

4

6

8

10

12

14

ALTROINDUSTRIARICERCA

n s

tud

en

ti

37 laureati negli ultimi 10 anni

•RT=ricerca temporanea (borse, assegno, dottorato)•RI =ricerca c/o università o altri enti di ricerca a tempo indeterminato•RE = ricercatori estero•SW=software•PMI=piccola media impresa•GI=grande impresa•H= ospedale•EcoFin= Economia e finanza•Ins= insegnamento

Dove in particolare?• Industria:

– PMI piccola media impresa del territorio (regione E-R), spin-off, settore bio-medicale, sensoristica, enti spaziali (ESA)

– GI grande impresa (es ST-microelectronics, sedi: CT e MI)

• Ricerca: – enti di ricerca italiani: INFM-CNR,

ENEA,– Università straniere

• Economia e finanza – banche, master in marketing,..

Funzione a gradino “arrotondata” all’aumento di T.

1

1F

FD E

k

E

T

f E

e

Diagramma a bande: Funzione di Fermi-Dirac

• Probabilità di trovare un elettrone ad un certo valore di energia.

• Dipendenza dalla temperaturaPer E<EF stati pieni, per E>EF stati vuoti