Drogaggio del silicio
Il silicio
Il silicio (dal latino silex, selce) è un elemento chimico che ha come simbolo Si e numero atomico 14. E’ stato scoperto nel 1787 da Antoine Lavoisier. Il silicio è il secondo elemento per abbondanza nella crosta terrestre (dopo l’ossigeno) e si stima che sia l’ottavo elemento per massa nell’universo.
In natura il silicio non si presenta puro ma sotto forma di biossido di silicio, SiO2, e si può ricavare da questo seguendo diverse reazioni chimiche che permettono di ottenere diversi gradi di purezza.
Il silicio è un elemento importante perché è un semiconduttore: un semiconduttore è un elemento che ha una conducibilità intermedia tra quella di un conduttore e quella di un isolante e la sua conducibilità può essere modificata introducendo piccole quantità di atomi estranei nel materiale puro.
Il silicio è un elemento fondamentale in elettronica per la produzione dei principali componenti elettronici. Fu proprio il suo utilizzo che permise la produzione del primo transistor nel 1947 e la realizzazione del primo circuito integrato nel 1959: sono questi i componenti che avrebbero rivoluzionato l’elettronica aprendo le strade all’elettronica digitale e alla nascita della maggior parte dei dispositivi elettronici che oggi utilizziamo (computer, smartphone, macchine fotografiche etc).
Drogaggio del silicio
Drogare, nell’accezione più generale del termine, significa immettere sostanze estranee (impurità) in un materiale (puro).
Il drogaggio del silicio è il processo di introduzione di quantità controllate di atomi estranei o impurezze nel reticolo cristallino di silicio al fine di alterare le concentrazioni dei portatori di carica e modificare la sua conducibilità elettrica.
Immaginiamo di inserire una piccola quantità di fosforo (ha 5 elettroni liberi) in un cristallo di silicio. Con il drogaggio l’atomo di fosforo si sostituisce a uno di silicio: dei suoi cinque elettroni, quattro si sostituiranno ai quattro del silicio, e il quinto sarà invece “libero” di viaggiare all’interno del reticolo cristallino (come gli elettroni di conduzione). Tanto maggiore la quantità di fosforo, quanto maggiore risulterà la conducibilità del silicio.
Se invece si sostituisce un atomo di silicio con uno di boro (ha 3 elettroni liberi) uno dei legami originari del silicio non viene ripristinato e si crea una lacuna. Questa lacuna è la mancanza di un elettrone di legame ma si comporta come una carica libera. Infatti gli atomi vibrano continuamente e i legami tra gli atomi del cristallo si rompono e si ricompongono, per cui un elettrone di un legame silicio-silicio potrà andare a occupare il posto che prima “occupava” (o era lasciato libero da) una lacuna. In pratica le lacune permettono agli elettroni di cambiare posizione (muoversi) e di conseguenza queste si muovono, con un moto opposto a quello delle cariche negative e creano così un flusso virtuale di cariche positive. L’introduzione di atomi di boro nel reticolo del silicio modifica così la conducibilità del silicio diminuendola.
Nel caso del drogaggio con il fosforo il reticolo viene arricchito di elettroni e si parla di drogaggio tipo-n, mentre per il drogaggio con il boro si parla di drogaggio tipo-p, in quanto il reticolo viene arricchito di lacune che si comportano come cariche positive.
