Legame metallico. Non metalli. Semimetalli. Metalli

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1 Legame metallico Non metalli Metalli Semimetalli Proprietà metalliche 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) 1

2 Legame 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 2 tendente al numero di Avogadro

3 Solidi metallici Le strutture metalliche sono caratterizzate da numeri di coordinazione molto elevati, da elevata compattezza e coesione. 3

4 Strutture cristalline compatte Esagonale compatta n. coord=12 Be, Mg, Ca, Zn, Cd Cubica a facce centrate n. coord=12 Ni, Pt, Pd, Cu, Ag, Au, Al, Pb Cubica a corpo centrato n. coord=8 Li, Na, K, Rb, Cs, Cr, Mo 4

5 Legame metallico - La teoria delle bande Costruzione di un reticolo metallico (es. Na) OA 3s Na Na 2 Na 3 Na 4 Na 31 Na N 5

6 Conduttori, isolanti e semiconduttori Conduttore: banda di valenza solo parzialmente riempita banda di valenza satura ma sovrapposta con bande vuote E E 2p 3N OM 2p 3N OM 2s N OM 1s N OM N e - Li: 1s 2 2s 1 2N e- 2s N OM 1s N OM Be: 1s 2 2s 2 2N e - 2N e - 6

7 Conduttori, isolanti e semiconduttori Conduttore E Banda di conduzione Proprietà metalliche elevata conducibilità elettrica e termica bassa energia di prima ionizzazione elevata duttilità e malleabilità non trasparenza e lucentezza Banda di valenza 7

8 Conduttori, isolanti e semiconduttori Isolanti: banda di valenza satura e separata dalla banda di conduzione da un dislivello (GAP) energetico molto elevato E 2(sp 3 ) 4 4N OM 2N livelli energetici corrispondenti a 2N orbitali molecolari completamente vuoti E = 5,6 ev 2N livelli energetici; gli orbitali molecolari corrispondenti ospitano 4N elettroni C: 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2 2(sp 3 ) 4 1s 2 N OM 8

9 Conduttori, isolanti e semiconduttori Si e Ge hanno la struttura cubica del diamante, con coordinazione tetraedrica. 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. 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. Elemento IV gruppo Carbonio (diamante) Silicio Germanio Stagno grigio E GAP (ev) 5,6 1,1 0,72 0,08 Può essere facilmente purificato per diventare semic. intrinseco a T amb. Conducibilità (S m -1 )

10 Conduttori, isolanti e semiconduttori Semiconduttori: banda di valenza satura e separata dalla banda di conduzione da un dislivello (GAP) energetico piccolo E 3(sp 3 ) 4 4N OM E = 1.1 ev Si: [Ne]3s 2 3p 2 [Ne]3(sp 3 ) 4 10

11 Conduttori, isolanti e semiconduttori Semiconduttore E 4(sp 3 ) 4 4N OM E = 0.7 ev Ge: [Ar]3d 10 4s 2 4p 2 [Ar]3d 10 4(sp 3 ) 4 11

12 Conduttori, isolanti e semiconduttori Meccanismo di conduzione elettrica nei semiconduttori puri (INTRINSECI) Conducibilità T Conduzione di tipo n (elettroni) energia e - Gap E Conduzione di tipo p (lacune) Irraggiamento (hν = E) (fotoconduzione) Eccitazione termica (termoconduzione) 12

13 Drogaggio dei semiconduttori intrinseci Drogaggio di tipo p Banda di conduzione Elementi III gruppo B, Al, Ga, In, Tl 0.1 ev Banda di valenza Conduzione di tipo p 13

14 Drogaggio dei semiconduttori intrinseci Drogaggio di tipo n Banda di conduzione Elementi V gruppo P, As, Sb, Bi Conduzione di tipo n 0.1 ev Banda di valenza 14

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16 SEMICONDUTTORI COMPOSTI Composti fra elementi del IV gruppo IIb IIIa IVa Va VIa 6 C 8 O Al Si P S Zn Cd Ga 49 In Ge 50 Sn 51 As Sb 52 Se Te Hanno la struttura cristallina della blenda (ZnS, cubica), che è legata strettamente a quella del diamante. 80 Hg II-VI III-V 16

17 SEMICONDUTTORI COMPOSTI 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 amb semiconduttore intrinseco a T>500 C, se puro semiconduttore estrinseco di tipo p con piccole quantità di Al semiconduttore estrinseco di tipo n con piccole quantità di N 17

18 Composti III-V Materiali GAP (ev) Mobilità e - (m 2 /Vs) Mobilità lacune (m 2 /Vs) AlP 3,0 - - AlAs 2,3 - - AlSb 1,52 0,140 0,020 GaP 2,25 0,045 0,002 GaAs 1,34 0,85 0,45 GaSb 0,70 0,50 0,085 InP 1,27 0,60 0,016 InAs 0,33 2,30 0,010 InSb 0,18 8,00 0,070 All aumentare della dimensione atomica all interno di una famiglia, diminuisce il GAP ed aumenta la mobilità degli e -. Gli e - negli atomi più grandi sono meno legati al nucleo. 18

19 Composti III-V Si AlP Ge GaAs Sn grigio InSb Dimensioni cella unitaria (Å) 5,42 5,42 5,62 5,63 6,46 6,48 Separazione interatomica (Å) 2,42 2,34 2,44 2,44 2,80 2,80 GAP (ev) 1,1 3,0 0,72 1,34 0,08 0,11 GaAs + impurezze di Ge conduzione di tipo n se Ge sostituisce Ga conduzione di tipo p se Ge sostituisce As 19

20 Composti II-VI Materiali CdS CdSe CdTe PbS PbSe PbTe ZnO GAP (ev) 2,45 1,8 1,45 0,37 0,27 0,33 3,3 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) 20