Upload
vucong
View
279
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
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)
2
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
3
Solidi metallici
Le strutture metalliche sono caratterizzate da numeri di coordinazione molto elevati, da elevata compattezza e coesione.
4
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
5
Legame metallico Legame metallico -- La teoria delle bandeLa teoria delle bande
Costruzione di un reticolo metallico (es. Na)
Na31 NaNNa4Na3Na2Na
OA3s
6
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
9
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
10
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
12
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-
13
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
14
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
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
19
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
20
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)