Dispositivi Elettronici

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "Dispositivi Elettronici"

Vittore Mari
6 anni fa
Visualizzazioni

1 Dispositivi Elettronici La Struttura Cristallina nei Solidi prof. ing. Gianluca Giustolisi Academic Year 2014/2015 (ver. July 8, 2014)

2 Materiali Semiconduttori Conducibilità intermedia tra i metalli e gli isolanti Possono essere Elementari o Composti III IV V B C Al Si P Ga Ge As In Sb Semiconduttori Elementari Silicio (Si) Germanio (Ge) Semiconduttori Composti Fosfuro di Alluminio (AlP) Arseniuro di Alluminio (AlAs) Fosfuro di Gallio (GaP) Arsenurio di Gallio (GaAs) Fosfuro di Indio (InP)

3 Tipi di Solidi Amorfo Struttura ordinata nell intorno di poche dimensioni atomiche Policristallino Struttura ordinata nell intorno di svariate dimensioni atomiche La struttura è composta da grani ognuno dei quali è un cristallo Cristallino Struttura idealmente regolare e periodica in tutto il volume del materiale

4 Reticoli cristallini

5 Reticoli cristallini La disposizione periodica degli atomi all interno di un cristallo forma il reticolo La cella unitaria è un volume del cristallo che, tramite traslazione r = p a + q b, riproduce l intero cristallo La cella primitiva è la più piccola cella unitaria che può essere ripetuta per generare il reticolo b 2 b 3 a 2 a 3 b 1 a 1 b 4 a 4 In una situazione tridimensionale il vettore di traslazione è r = p a + q b + s c

6 Strutture base simple cubic (sc): atomi solo ai vertici della cella body-centered cubic (bcc): atomi ai vertici della cella ed uno al centro di essa face-centered cubic (fcc): atomi ai vertici della cella ed al centro di ogni faccia Nota la struttura e la dimensione del reticolo possiamo conoscere la densità atomica [atomi/cm 3 ]

7 Piani del cristallo e Indici di Miller I cristalli reali non sono indefinitamente estesi ma terminano alla superficie La superficie è il luogo dove vengono costruiti i dispositivi elettronici ed essa ne influenza le caratteristiche Gli Indici di Miller descrivono l orientamento della superficie rispetto al reticolo 3a 1c 2b Trovare le intercette del piano (p = 3, q = 2, s = 1) Scrivere i reciproci delle intercette ( 1 3, 1 2, 1 1 ) Moltiplicare per il m.c.m. per ottenere gli indici di Miller (236)

8 Indici di Miller Tre piani comunemente usati hanno come intercette p = 1; q = ; s = p = 1; q = 1; s = p = 1; q = 1; s = 1 Cui corrispondono i seguenti indici di Miller (100) (110) (111) c c c a b a b a b Si noti che il piano (010) è equivalente al piano (100), ecc.

9 Richiami geometrici Il piano passante per i tre punti P 1 = (x 1, y 1, z 1 ), P 2 = (x 2, y 2, z 2 ) e P 3 = (x 3, y 3, z 3 ), è x y z 1 x 1 y 1 z 1 1 x 2 y 2 z 2 1 = 0 ax + by + cz + d = 0 x 3 y 3 z 3 1 I piani π 1 : ax + by + cz + d = 0 e π 2 = a x + b y + c z + d = 0 sono paralleli se a a = b b = c c La distanza tra il piano π : ax + by + cz + d = 0 ed il punto P = (x 0, y 0, z 0 ) è d(p, π) = ax 0 + by 0 + cz 0 + d a 2 + b 2 + c 2 La distanza tra due piani π 1 e π 2 si calcola come distanza tra il piano π 1 ed un punto del piano π 2

10 Distanze tra piani del cristallo (100) (110) (111) P = (0, 1, 0) π : x 1 = 0 d = 1 P = (1, 1, 1) π : x + y 1 = 0 d = 1 2 P = (0, 0, 0) π : x + y + z 1 = 0 d = x z π P y d 1 x z π d P y z d 1 P π x y

11 Concentrazione superficiale di atomi È il numero di atomi al cm 2 che sono tagliati da un particolare piano del cristallo (100) (110) (111) sc bcc fcc 1 1 a 2 2a a 2 2a a 2 2a 2 1 3a 2 3 3a 2 4 3a 2 Permette di comprendere come un semiconduttore si interfaccia con un altro materiale (es. Si SiO 2, ecc.)

12 Direzioni del cristallo Le direzioni vengono espresse da tre interi che rappresentano le componenti di un vettore in una data direzione [100] [110] [111] c c c a b a b a b Nei reticoli cubici la direzione [hkl] è perpendicolare al piano (hkl)

13 Struttura del Diamante - Celle base La cella base del diamante, oltre a descrivere il legame degli atomi di carbonio (C), interessa anche il germanio (Ge) ed il silicio (Si) La lunghezza a è detta costante reticolare (lattice constant) La densità atomica è 8/a 3 Nel silicio a = 5.45 Å N = atomi/cm 3 a a

14 Reticolo del Diamante La struttura del diamante può essere compresa tramite la più semplice cella tetraedrica composta da 4 atomi Essa è simile alla bcc senza i 4 atomi ai vertici a/2 a/2 a/2 a/2 a a a a Bottom Top 4 celle tetraedriche compongono la struttura della cella base

15 Reticolo della Zincoblenda (ZnS) È simile a quello del diamante La cella base è composta da celle tetraedriche ma composte da due atomi Un atomo di tipo A sta al centro, mentre gli atomi di tipo B stanno ai vertici Nell ambito dei semiconduttori ricordiamo l arsenurio di gallio (GaAs)

16 Legami atomici

17 Legami atomici Il tipo di legame che consente la formazione di un cristallo dipende da molti fattori L energia totale di un sistema all equilibrio termico tende sempre al valore minimo L interazione che avviene tra gli atomi per raggiungere la configurazione ad energia minima dipende dagli atomi coinvolti Il legame o l interazione che tiene uniti più atomo in un cristallo dipende dagli atomi del cristallo stesso L interazione è descritta in maniera esatta dalla meccanica quantistica

18 Legame ionico Coinvolge elementi del I e del VII gruppo della Tabella Periodica degli Elementi Gli atomi del I gruppo tendono a perdere un elettrone e diventano ioni positivi Gli atomi del VII gruppo tendono ad acquistare un elettrone e diventano ioni negativi Tra i due elementi esiste una forza di attrazione coulombiana che li tiene insieme formando il legame ionico Se gli ioni sono troppo vicini agisce una forza repulsiva e gli elementi si posizionano ad una distanza di equilibrio Nel cristallo gli ioni negativi sono circondati da quelli positivi e viceversa L esempio più comune è il Cloruro di Sodio (Na + Cl )

19 Legame covalente Gli elementi tendono a riempire di elettroni il guscio (shell) atomico esterno, ovvero quello a più bassa energia Due atomi di H mettono in condivisione il loro elettrone. Ognuno di essi vede due elettroni nel guscio atomico esterno Gli atomi del IV gruppo condividono i loro 4 elettroni con gli atomi vicini in modo da riempire la shell esterna con 8 elettroni Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si

20 Legame metallico Gli atomi del I gruppo (Na, Z = 11) hanno un elettrone nella shell esterna. Due atomi di Na mettono in condivisione i loro elettroni in maniera simile al legame covalente Il cristallo di Na è body-centered cubic dove ogni atomo ha 8 atomi vicini: ogni atomo condivide i suoi elettroni con gli altri Possiamo vedere il cristallo come circondato da un mare di elettroni o gas di elettroni di carica negativa Il solido è tenuto insieme dalle forze elettrostatiche

21 Legame di Van der Waals È un tipo di legame debole Il fluoruro di idrogeno (HF) è formato da un legame di tipo ionico Il centro effettivo della carica positiva e della carica negativa non sono nella stessa posizione Questo effetto crea un dipolo elettrico che interagisce con gli altri dipoli delle altre molecole di HF Le forze di legame sono molto deboli ed hanno una temperatura di fusione molto bassa (molti materiali sono gassosi a temperatura ambiente)

22 Imperfezioni e impurità

23 Imperfezioni reticolari I reticoli cristallini non sono perfetti ma hanno delle imperfezioni o difetti Le imperfezioni alterano le proprietà elettriche del cristallo ed in alcuni casi possono essere determinanti Un tipo di imperfezione caratteristica di tutti i cristalli sono le vibrazioni reticolari La distanza che separa gli atomi non è costante ma vibra in maniera casuale attorno ad un punto di equlibrio nel reticolo Il raggio di vibrazione è dovuto all energia termica del cristallo ed è funzione della temperatura Questa fluttuazione modifica la perfetta disposizione geometrica del cristallo e può alterare le proprietà elettriche

24 Difetti puntuali In un cristallo reale un atomo può mancare dal reticolo (vacancy) o trovarsi in mezzo ad esso (interstitial) Tanto la disposizione geometrica quanto il legame chimico tra gli atomi vengono bruscamente interrotti Le proprietà elettriche del materiale possono essere alterate vacancy interstitial Se una coppia di difetti vacancy-interstitial si trovano vicini tra loro ne può nascere un interazione (difetto di Frenkel) che produce effetti differenti rispetto ad ognuno dei singoli difetti

25 Dislocazione di linea I difetti puntuali coinvolgono singoli atomi o locazioni di singoli atomi Una dislocazione di linea avviene quando manca un intera fila di atomi dalla normale disposizione reticolare Anche in questo caso la disposizione geometrica ed il legame chimico tra gli atomi vengono altrerati Questa dislocazione produce effetti più imprevedibili di un semplice difetto puntuale

26 Impurità nei solidi All interno di un reticolo possono essere presenti impurità formate da atomi estranei al cristallo Gli atomi di impurità possono essere posizionati o in una posizione reticolare (impurità sostituzionali) o all interno del reticolo (impurità interstiziali) Alcune impurità sono inerti (ossigeno) altre alterano drasticamente le proprietà elettriche del materiale (oro, fosforo, ecc.) substitutional interstitial

27 Impurità nei solidi Aggiungendo una quantità controllata di atomi di una particolare impurità, possiamo alterare le proprietà elettriche del materiale a nostro vantaggio La tecnica di aggiungere impurità ad un materiale per cambiarne la conducibilità è detta drogaggio (doping) Il drogaggio può essere effettuato tramite due processi fondamentali: diffusione e impiantazione ionica

Documenti analoghi

Legame covalente Puro Polare Legame dativo o di coordinazione Legame ionico Legame metallico

I LEGAMI CHIMICI Legami atomici o forti Legami molecolari o deboli Legame covalente Puro Polare Legame dativo o di coordinazione Legame ionico Legame metallico Legame dipolo-dipolo Legame idrogeno Legame