I semiconduttori come silicio (Si) e germanio (Ge) hanno 4 elettroni di valenza e una struttura cristallina nella quale l'attrazione atomica è assai forte. Il silicio o germanio crea un legame covalente tra i suoi atomi, quindi non vi sono elettroni liberi di spostarsi nel materiale, la sua resistività, allo stato puro, è perciò elevatissima. Nella figura sotto è mostrata la struttura cristallina del silicio.
Solo fornendo energia termica è possibile spezzare qualche legame covalente, liberare qualche elettrone, e ottenere una certa conduttività. Se un elettrone abbandona il legame covalente si viene a creare una lacuna. Anche la lacuna ha una sua importanza nel fenomeno di conduzione perchè essa offre lo spazio per accogliere un elettrone di un atomo adiacente. Si genera così un processo a catena nel quale le lacune si spostano in senso opposto rispetto agli elettroni. In un semiconduttore puro la concentrazione di lacune è uguale alla concentrazione di elettroni. Tale concentrazione detta intrinseca dipende dalla temperatura.
-La giunzione pn-
Per alterare le caratteristiche conduttive dei semiconduttori vengono inseriti nel materiale cristallino sostanze trivalenti o pentavalenti, aumentando così la loro conduttività. E'importante considerare che dopo il drogaggio la carica elettrica di un semiconduttore, sia -p- che -n-, rimane comunque neutra. Esempio: nel semiconduttore tipo -n- la carica negativa dell'elettrone aggiunto viene compensata dalla carica positiva dell'atomo donatore che lo ha perso.
Semiconduttore tipo -p-
Introducendo materiali trivalenti (o accettori) si generano legami covalenti incompleti con presenza di lacune, e disponibilità, quindi, ad accettare elettroni. Il semiconduttore e detto così tipo p e i suoi portatori maggioritari saranno appunto le lacune. Gli elementi trivalenti più usati per il drogaggio tipo p sono: Boro(B), Gallio(GA), Indio(In), Alluminio(Al).
Semiconduttore tipo -n-
Introducendo materiali pentavalenti (o donatori) si generano legami covalenti con avanzo di un elettrone; questi elettroni, liberi da legame, saranno i portatori maggioritari del semiconduttore ottenuto detto tipo n. Gli elementi pentavalenti più usati per il drogaggio tipo n sono: Fosforo(P), Arsenico(As), Antimonio(Sb).
Se in un cristallo di semiconduttore vengono introdotte da un lato impurità di tipo -p-, e dall'altro di tipo -n-, si crea una giunzione pn. L'eccesso di elettroni nella zona -n- e l'eccesso di lacune nella zona -p-, determina, in prossimità della giunzione una diffusione di elettroni dalla zona -n- verso la zona -p- per ricombinarsi con le lacune e viceversa. In prossimità della giunzione si crea così una zona priva di portatori. Il processo di ricombinazione è destinato ad arrestarsi da solo; nell'area prossima alla giunzione, infatti, gli atomi della zona -n- che hanno perso un elettrone, per ricombinarsi con una lacuna della zona -p-, diventano ioni positivi (carica +); gli atomi della zona -p- che invece hanno acquistato un elettrone dalla zona -n- diventano ioni negativi (carica -). Si crea, per questo, un campo elettrico tra zona -n- e -p- (positiva dal lato -n- negativa dal lato -p- ) che si oppone ad una ulteriore diffusione dei portatori maggioritari tra i due lati della giunzione. Al termine della ricombinazione si otterrà una zona di svuotamento, da portatori maggioritari, di circa 0.5 uM. Questa zona di svuotamento si comporta come dielettrico per questo la giunzione ha anche proprietà capacitive.
-Il diodo-
Un cristallo di materiale semiconduttore drogato in modo da ottenere una giunzione di tipo -pn- costituisce un diodo.
Applicando una batteria ai capi di un cristallo di semiconduttore di tipo -pn-, il moto dei portatori e il flusso della corrente vengono determinati dalla polarità e dal valore della tensione applicata e dai suoi effetti sulla zona di carica spaziale.
Giunzione polarizzata inversamente
Collegando il polo positivo della batteria alla zona di tipo -n- gli elettroni vengono attratti verso il morsetto e di conseguenza allontanati dalla zona di giunzione. Lo stesso vale per le lacune della zona -p- che vengono attratte dal morsetto negativo. Di conseguenza si allarga la zona di svuotamento e aumenta la barriera di potenziale. La giunzione è polarizzata inversamente e la corrente che la attraversa è debolissima e dovuta solo ai portatori minoritari.
Giunzione polarizzata direttamente
Collegando il polo positivo della batteria alla zona di tipo -p- gli elettroni vengono attratti verso il morsetto creando nuove lacune. Nella zona tipo -n- giungono ulteriori elettroni dal morsetto negativo della batteria; la barriera di potenziale diminuisce, la zona di svuotamento si riduce, e la corrente inizia così a scorrere dalla zona -p- a quella -n-. La giunzione è polarizzata direttamente e la corrente che la attraversa è dovuta ai portatori maggioritari.
Nel diodo la zona drogata tipo -p- è connessa al terminale denominato anodo; la zona drogata tipo -n- è connessa al terminale denominato catodo.
La caratteristica elettrica del diodo è rappresentata dalla figura sottostante.
Il diodo inizia a condurre quando, polarizzando direttamente la giunzione, si supera la tensione di soglia; generalmente intorno a 0.5 V per diodi al silicio e 0.1 V per quelli al germanio. Polarizzando inversamente la giunzione si nota una lieve corrente inversa (la scala è opportunamente espansa). Se la tensione inversa supera un certo valore detto di breakdown i legami atomici si rompono, gli elettroni si liberano, ne urtano altri liberandoli e così via, si innesca una cosidetta reazione a valanga; il diodo cessa di vivere.
