Comprensione di fosforo, boro e altri materiali a semiconduttore

Presentazione del fosforo

Il processo di "doping" introduce un atomo di un altro elemento nel cristallo di silicio per alterarne le proprietà elettriche. Il drogante ha tre o cinque elettroni di valenza, al contrario dei quattro di silicio. Gli atomi di fosforo, che hanno cinque elettroni di valenza, sono usati per il doping del silicio di tipo n (il fosforo fornisce il suo quinto elettrone libero).

Un atomo di fosforo occupa lo stesso posto nel reticolo cristallino precedentemente occupato dall'atomo di silicio che ha sostituito. Quattro dei suoi elettroni di valenza assumono le responsabilità di legame dei quattro elettroni di valenza al silicio che hanno sostituito. Ma il quinto elettrone di valenza rimane libero, senza responsabilità di legame. Quando numerosi atomi di fosforo vengono sostituiti con silicio in un cristallo, diventano disponibili molti elettroni liberi. La sostituzione di un atomo di fosforo (con cinque elettroni di valenza) con un atomo di silicio in un cristallo di silicio lascia un elettrone extra non legato che è relativamente libero di muoversi attorno al cristallo.

Il metodo più comune di doping è di ricoprire la parte superiore di uno strato di silicio con fosforo e quindi riscaldare la superficie. Ciò consente agli atomi di fosforo di diffondersi nel silicio. La temperatura viene quindi abbassata in modo che la velocità di diffusione scenda a zero. Altri metodi per introdurre il fosforo nel silicio includono la diffusione gassosa, un processo di nebulizzazione con drogante liquido e una tecnica in cui gli ioni fosforo vengono spinti precisamente nella superficie del silicio.

Presentazione di Boron 

Naturalmente, il silicio di tipo n non può formare il campo elettrico da solo; è inoltre necessario modificare del silicio per avere proprietà elettriche opposte. Quindi è boro, che ha tre elettroni di valenza, che viene utilizzato per il doping del silicio di tipo p. Il boro viene introdotto durante la lavorazione del silicio, dove il silicio viene purificato per l'uso in dispositivi fotovoltaici. Quando un atomo di boro assume una posizione nel reticolo cristallino precedentemente occupato da un atomo di silicio, c'è un legame mancante di un elettrone (in altre parole, un buco in più). Sostituendo un atomo di boro (con tre elettroni di valenza) un atomo di silicio in un cristallo di silicio lascia un buco (un legame mancante di un elettrone) che è relativamente libero di muoversi attorno al cristallo.

Altri materiali semiconduttori.

Come il silicio, tutti i materiali fotovoltaici devono essere realizzati in configurazioni di tipo p e tipo n per creare il campo elettrico necessario che caratterizza una cella fotovoltaica. Ma questo viene fatto in diversi modi a seconda delle caratteristiche del materiale. Ad esempio, la struttura unica del silicio amorfo rende necessario uno strato intrinseco o "strato i". Questo strato non drogato di silicio amorfo si adatta tra gli strati di tipo n e tipo p per formare quello che viene chiamato un design "p-i-n".

I film sottili policristallini come il diselenide di rame indio (CuInSe2) e il tellururo di cadmio (CdTe) mostrano grandi promesse per le celle fotovoltaiche. Ma questi materiali non possono essere semplicemente drogati per formare strati n e p. Invece, per formare questi strati vengono utilizzati strati di materiali diversi. Ad esempio, uno strato "finestra" di solfuro di cadmio o altro materiale simile viene utilizzato per fornire gli elettroni extra necessari per renderlo di tipo n. CuInSe2 può essere di per sé prodotto di tipo p, mentre CdTe beneficia di uno strato di tipo p realizzato con un materiale come il tellururo di zinco (ZnTe).

L'arseniuro di gallio (GaAs) viene modificato in modo simile, generalmente con indio, fosforo o alluminio, per produrre una vasta gamma di materiali di tipo n e p.