8 - INGEGNERIA DELLE BANDE

    In questo capitolo:

    • 1 - Principi generali dell'ingegneria delle bande
    • 2 - Discontinuità di banda

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      8.1 - Principi generali dell'ingegneria delle bande

    L'ingegneria delle bande consiste nel realizzare dispositivi elettronici che abbiano bande di energia il cui profilo può essere modificato e disegnato a piacimento, applicando particolari tecniche di realizzazione.

    Le caratteristiche della band-gap, come abbiamo potuto vedere in altri capitoli, dipendono dalle proprietà fisiche e chimiche dei semiconduttori, e pertanto non sembra possano essere modificate. C'è una dipendenza della band-gap dalla temperatura, ad esempio, ma ciò non sembra offrire vantaggi pratici dal punto di vista dell'ingegneria delle bande, cioè della realizzazione di dispositivi con bande dalle caratteristiche non esistenti in natura e rispondenti ad esigenze particolari.

    Si è trovata, però, una dipendenza della larghezza della band-gap dalla composizione del semiconduttore e questo ha aperto le porte alla band-gap engineering. Variando, infatti, la percentuale di elementi che compongono i semiconduttori, possiamo variare l'ampiezza della band-gap, riuscendo a dare alle bande il profilo che appare più opportuno.

    Gli elementi che meglio rispondono, da questo punto di vista, sono risultati essere i semiconduttori realizzati con la composizione di elementi del III e V gruppo della tavola degli elementi chimici, come ad esempio il GaAlAs (Arseniuro alluminuro di gallio). In questi composti l'Arsenico (As) pentavalente, si lega con atomi di Alluminio (Al) e Gallio (Ga) entrambi trivalenti, a formare la struttura stabile del nostro semiconduttore. Il rapporto tra il numero di atomi di Al e di Ga può assumere un valore qualunque, mentre il loro numero complessivo deve necessariamente uguagliare il numero di atomi di As. Altri composti del genere sono risultati essere ancora AlInAs e GaInAs dove l'Indio (In) prende il posto del Ga e dell'Al rispettivamente.

    Le strutture cristalline che così si vengono a creare vengono denominate "ETEROSTRUTTURE", per distinguerle da quelle dei semiconduttori normali che sono omogeneamente disposti all'interno della struttura cristallina e che quindi sono denominate "OMOSTRUTTURE".

    La formula magica della band-gap engineering, che vale ovviamente per tutti i composti, è la seguente:
     

    dove x sta ad indicare la percentuale di atomi di Ga usati per la realizzazione del cristallo, mentre (1-x) la percentuale di atomi di Al. La formula
     

    ad esempio, indica che nella costituzione del cristallo il 70% di atomi legati all'As è costituito dal Ga, mentre il 30% è costituito da Al. Variando tali percentuali è possibile far variare la band-gap e soprattutto il livello di Fermi Ef. Si ricorda che il livello di Fermi è il livello energetico massimo occupato dagli elettroni di valenza, supponendo tutti i livelli inferiori occupati.

    Il livello di Fermi Ef è di particolare rilevanza nei semiconduttori, perchè, come succede ad esempio nelle giunzioni P-N, allorchè mettiamo a contatto semiconduttori dalle caratteristiche diverse, gli elettroni e le lacune all'interno del materiale, si muovono fino a raggiungere una situazione di equilibrio, quando cioè i livelli di Fermi delle varie parti sono alla stessa altezza.

    Il fenomeno lo possiamo facilmente comprendere facendo l'analogia con i vasi comunicanti, quando coilleghiamo insieme diversi recipienti contenenti lo stesso liquido a vari livelli; alla fine il liquido avrà lo stesso livello in tutti i recipienti.

    Variando gradualmente la percentuale di Al e Ga, aumentando l'una e diminuendo l'altra, è quindi possibile realizzare, ad esempio, una banda che abbia una configurazione a rampa. L'ampiezza della band-gap aumenta proporzionalmente con la percentuale di di atomi di Ga sostituiti con quelli di Al.

    Fig. 8.1.1 - La figura mostra l'andamento delle bande nel caso di una struttura realizzata con AlxGa1-xAs, variando gradualmente la x dal valore 0 (band-gap corrispondente ad Eg1), al valore 1 (band-gap corrispondente ad Eg2). Si vede come l'ampiezza della banda proibita aumenti proporzionalmente con la percentuale di atomi di Ga sostituiti con atomi di Al.

    Le figure seguenti illustrano due diverse situazioni che possono presentarsi.

    Fig. 8.1.2 - Le figure illustrano l'effetto del drogaggio e l'andamento delle bande nel caso di due diverse "eterostrutture".

    E' importante notare come anche il tipo di drogaggio, alterando il livello di Fermi, dia il suo contributo all'ingegneria delle bande, permettendo di "disegnare" il profilo delle bande.

    Dal punto di vista delle tecnologie usate nella Band-gap engineering si deve far riferimento essenzialmente alla MOCVD (Metall-Organic chemical vapour deposition - Deposizione chimica di vapore metallorganico) e alla MBE (Molecular beam epitaxy- Epitassia a fasci molecolari).

    Queste tecniche recenti permettono appunto di costruire semiconduttori che abbiano il profilo voluto delle bande, potendo intervenire su distanze dello stesso ordine di quelle interatomiche, cioè dei nanometri. Ciò ha dato origine a tutta una serie di dispositivi nuovi, sorprendenti ed affascinanti, aprendo una nuova strada per l'elettronica, appunto la "NANOELETTRONICA".

    Tra l'altro le dimensioni dei dispositivi così realizzati, possono essere ulteriormente ridotte, rispetto alle tecniche finora usate, permettendo livelli di integrazione e miniaturizzazione dei chips elettronici veramente eccezionali. Si ricorda che 1 nm (nanometro) equivale a 10-9metri o anche 10-6mm. E' del tutto evidente, quindi, come sia possibile integrare milioni di dispositivi elettronici su pochi mm quadri di semiconduttore.

        8.2 - Discontinuità di banda

    Da quanto detto in precedenza risulta evidente come l'ingegneria delle bande, con le nuove tecniche di "crescita" dei semiconduttori, apra campi del tutto nuovi ed una gamma di possibilità applicative estremamente ampia.

    Si possono, infatti, determinare "a priori" le forme più adeguate che devono assumere le bande perchè il dispositivo possa funzionare in modo rispondente alle varie esigenze.

    Vogliamo ora analizzare un'ulteriore possibilità offerta dall'ingegneria delle bande soprattutto nelle zone di interfaccia, cioè nelle giunzioni fra "eterostrutture", dove sono più probabili fenomeni di scattering da parte delle cariche.

    Le discontinuità di banda rivestono particolare importanza nella previsione del comportamento di taluni dispositivi, ed è possibile intervenire per crearne di opportune.

    Con le solite tecniche costruttive è facile inserire, nelle zone volute, strati sottilissimi di cariche elettriche facendo crescere strati di atomi "donori", che costituiranno le cariche positive, e strati di atomi "accettori"per le cariche negative, separate da uno strato d di semiconduttore intrinseco, elettricamente neutro, con ampia band-gap in modo che possa fungere da dielettrico.

    Se la distanza d tra lo strato di cariche positive e quello di cariche negative è piccola rispetto alle dimensioni dei "fogli" di carica, abbiamo una configurazione nota in fisica come "doppio strato".

    E' noto che le cariche di un doppio strato non danno contributo al campo elettrico esterno al sistema. All'interno avremo, invece, un campo elettrico costante pari a
     

    con sad esprimere la densità di carica superficiale ed e la costante dielettrica del semiconduttore interposto.

    Questo singolare comportamento provoca il fatto che, pur non essendoci alcuna influenza sul potenziale esterno, nell'attraversare il doppio strato si compie un salto di potenziale pari a
     

    Un elettrone che l'attraversasse varierebbe la sue energia di una quantità pari a qDV, se q è la carica dell'elettrone. Questo salto di energia puè essere positivo o negativo, a seconda del verso del doppio strato.

    Combinando i salti di energia potenziale di un doppio strato con le discontinuità di energia fra le bande nelle"eterogiunzioni", un elettrone vede situazioni diverse a seconda del verso in cui si muove.

    Fig. 8.2.1 - Introducendo sottili strati di atomi "donori" (ioni positivi) ed "accettori" (ioni negativi) in prossimità di "eterogiunzioni" è possibile sfruttare il loro effetto, analogo a quello di un doppio strato, per modificare le discontinuità di banda.

    Un discorso analogo vale, naturalmente, per le bande di valenza, per cui potremo avere le situazioni indicate in figura.

    Fig. 8.2.2 - La figura evidenzia gli effetti di un doppio strato in prossimità di "eterogiunzioni", a seconda del loro verso.

    Appare evidente come si possano addolcire o acuire le discontinuità di banda, determinando comportamenti diversi da parte delle cariche che le attraversano.

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