Portatori di carica nei metalli e nei semiconduttori: la differenza - WeSchool


I vari materiali si distinguono tra 
conduttori
 e 
isolanti
 sulla base di 
quanta 
resistenza
 oppongono al movimento delle 
cariche elettriche
 attraverso di loro.
Dal punto di vista microscopico questa proprietà è legata alla disponibilità di 
portatori di carica
 liberi di muoversi all’interno del materiale, cioè di particelle elettricamente cariche che possano attraversare il materiale senza incontrare ostacoli. Qualsiasi fenomeno di 
corrente elettrica
 e di conseguente trasferimento di carica può essere spiegato con la migrazione dei portatori da una parte all’altra del corpo conduttore.





















Videolezione "Circuiti elettrici: cosa sono e come rappresentarli"

























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In un 
metallo
, esempio emblematico di materiale conduttore, ogni atomo mette a disposizione i propri 
elettroni
 esterni per condividerli con tutti gli altri. Questo fa sì che, da una parte, i nuclei vengano tenuti insieme da una specie di “colla elettronica”, mantenendo stabili le proprie posizioni secondo una spaziatura regolare; d’altro canto gli elettroni non sono vincolati a rimanere vicini all’atomo cui originariamente appartenevano e possono funzionare da portatori.


Tuttavia 
questa non è l’unica possibilità
. Nei 
semiconduttori
, come il silicio, i legami tra gli atomi sono 
covalenti
, il che significa che 
gli elettroni che ne sono responsabili sono strettamente localizzati tra un atomo e l’altro e non sono in genere liberi di muoversi
. La situazione 
cambia quando si alza la 
temperatura
, cioè quando gli atomi acquistano 
agitazione termica
. Può accadere allora che alcuni elettroni vengano “sbalzati” dalla loro sede naturale e si rendano disponibili alla conduzione. Il posto vacante lasciato dall’elettrone che prende il nome di lacuna non rimane però passivamente immobile: dotata di carica positiva a causa dello sbilanciamento delle cariche, la lacuna può venire occupata dall’elettrone di un legame vicino e propagarsi come un portatore di carica positiva come indicato nella figura qui sotto.




Come si vede, i portatori di carica hanno entrambi i segni, positivo e negativo, cosa che nei normali conduttori non succede.
Non si tratta dell’unico caso in cui i portatori di carica hanno entrambi i segni. A differenza di quanto comunemente si pensa 
l’acqua pura è uno scarsissimo conduttore elettrico
: quello che rende pericolosi gli elettrodomestici in prossimità dell’acqua del rubinetto sono i 
sali
 disciolti in quest’ultima. Quando un sale si dissolve in soluzione subisce un processo noto come 
dissociazione elettrolitica
 che lo separa in coppie di ioni (cioè particelle dotate di carica elettrica). Nel caso del cloruro di sodio, il comune sale da cucina la reazione è la seguente:$$ \text{Na}\text{Cl} \ \longrightarrow \ \text{Na}^+ + \text{Cl}^-$$I due ioni prendono il nome di 
elettroliti
 e agisono da portatori di carica. Anche l’acqua pura subisce un processo di dissociazione elettrolitica:$$ \text{H}_2\text{O} \ \longrightarrow \ \text{H}^+ + \text{O}\text{H}^-$$In questo caso però il numero di molecole che subiscono la reazione è così piccolo da non avere praticamente effetto.


 


Crediti immagini: 


Prof. Marcello Carlà 
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Semiconduttore_intrinseco.png


 

