Cos\'è il semiconduttore?

 

Un materiale semiconduttore ha un valore di conducibilità elettrica compreso tra quello di un conduttore, come il rame metallico, e quello di un isolante, come il vetro. La sua resistività diminuisce all\'aumentare della sua temperatura; i metalli si comportano in modo opposto. Le sue proprietà conduttive possono essere alterate in modi utili introducendo impurità (\"doping\") nella struttura cristallina. Quando nello stesso cristallo esistono due regioni drogate in modo diverso, viene creata una giunzione a semiconduttore. Il comportamento dei portatori di carica, che includono elettroni, ioni e lacune di elettroni, in queste giunzioni è alla base dei diodi, dei transistor e della maggior parte dell\'elettronica moderna. Alcuni esempi di semiconduttori sono silicio, germanio, arseniuro di gallio ed elementi vicino alla cosiddetta \"scala metalloide\" sulla tavola periodica. Dopo il silicio, l\'arseniuro di gallio è il secondo semiconduttore più comune e viene utilizzato in diodi laser, celle solari, circuiti integrati a frequenza di microonde e altri. Il silicio è un elemento critico per la fabbricazione della maggior parte dei circuiti elettronici.

 

I dispositivi a semiconduttore possono visualizzare una gamma di proprietà utili, come far passare la corrente più facilmente in una direzione rispetto all\'altra, mostrare una resistenza variabile e avere sensibilità alla luce o al calore. Poiché le proprietà elettriche di un materiale semiconduttore possono essere modificate mediante drogaggio e mediante l\'applicazione di campi elettrici o luce, i dispositivi realizzati con semiconduttori possono essere utilizzati per l\'amplificazione, la commutazione e la conversione di energia.

 

 

Un gran numero di elementi e composti ha proprietà semiconduttive, tra cui:

 

 

 

• l Alcuni elementi puri si trovano nel gruppo 14 della tavola periodica; i più commercialmente importanti di questi elementi sono silicio e germanio. Il silicio e il germanio sono usati qui in modo efficace perché hanno 4 elettroni di valenza nel loro guscio più esterno, che dà loro la capacità di guadagnare o perdere elettroni allo stesso tempo allo stesso tempo.

 

• l Composti binari, in particolare tra elementi dei gruppi 13 e 15, come arseniuro di gallio, gruppi 12 e 16, gruppi 14 e 16, e tra diversi elementi del gruppo 14, ad es. carburo di silicio.

 

• l Alcuni composti ternari, ossidi e leghe.

 

• l Semiconduttori organici, costituiti da composti organici.

 

• l Strutture metallo-organiche semiconduttrici.

 

 

 

Materiali semiconduttori

 

I materiali allo stato solido sono comunemente raggruppati in tre classi: isolanti, semiconduttori e conduttori. (A basse temperature alcuni conduttori, semiconduttori e isolanti possono diventare superconduttori.) La figura mostra le conducibilità σ (e le corrispondenti resistività ρ = 1/σ) che sono associate ad alcuni materiali importanti in ciascuna delle tre classi. Gli isolanti, come il quarzo fuso e il vetro, hanno conduttività molto basse, dell\'ordine di 10-18 a 10-10 siemens per centimetro; e i conduttori, come l\'alluminio, hanno conducibilità elevate, tipicamente da 104 a 106 siemens per centimetro. Le conducibilità dei semiconduttori si trovano tra questi estremi e sono generalmente sensibili alla temperatura, all\'illuminazione, ai campi magnetici e a quantità minime di atomi di impurità. Ad esempio, l\'aggiunta di circa 10 atomi di boro (noto come drogante) per milione di atomi di silicio può aumentare la sua conduttività elettrica di mille volte (spiegando in parte l\'ampia variabilità mostrata nella figura precedente).

 

Lo studio dei materiali semiconduttori iniziò all\'inizio del XIX secolo. I semiconduttori elementari sono quelli composti da singole specie di atomi, come silicio (Si), germanio (Ge) e stagno (Sn) nella colonna IV e selenio (Se) e tellurio (Te) nella colonna VI della tavola periodica. Esistono, tuttavia, numerosi semiconduttori composti, che sono composti da due o più elementi. L\'arseniuro di gallio (GaAs), ad esempio, è un composto binario III-V, che è una combinazione di gallio (Ga) dalla colonna III e arsenico (As) dalla colonna V. I composti ternari possono essere formati da elementi di tre colonne diverse: per esempio, il tellururo di indio di mercurio (HgIn2Te4), un composto II-III-VI. Possono anche essere formati da elementi di due colonne, come l\'arseniuro di gallio di alluminio (AlxGa1 − xAs), che è un composto ternario III-V, dove sia Al che Ga provengono dalla colonna III e il pedice x è correlato alla composizione di i due elementi dal 100 percento di Al (x = 1) al 100 percento di Ga (x = 0). Il silicio puro è il materiale più importante per le applicazioni di circuiti integrati e i composti binari e ternari III-V sono i più significativi per l\'emissione di luce.

 

 

 

 

Come funzionano i semiconduttori

 

 

Oggi, la maggior parte dei chip semiconduttori e dei transistor sono creati con silicio. Potresti aver sentito espressioni come \"Silicon Valley\" e \"economia del silicio\", ed è per questo che il silicio è il cuore di qualsiasi dispositivo elettronico.

Un diodo è il dispositivo semiconduttore più semplice possibile, ed è quindi un ottimo punto di partenza se si vuole capire come funzionano i semiconduttori. In questo articolo imparerai cos\'è un semiconduttore, come funziona il doping e come si può creare un diodo usando i semiconduttori. Ma prima, diamo un\'occhiata da vicino al silicio.

Il silicio è un elemento molto comune, ad esempio è l\'elemento principale nella sabbia e nel quarzo. Se guardi \"silicio\" nella tavola periodica, scoprirai che si trova accanto all\'alluminio, al di sotto del carbonio e al di sopra del germanio.

Carbonio, silicio e germanio (il germanio, come il silicio, è anche un semiconduttore) hanno una proprietà unica nella loro struttura elettronica: ciascuno ha quattro elettroni nel suo orbitale esterno. Questo permette loro di formare dei bei cristalli. I quattro elettroni formano legami covalenti perfetti con quattro atomi vicini, creando un reticolo. Nel carbonio, conosciamo la forma cristallina come diamante. Nel silicio, la forma cristallina è una sostanza argentea dall\'aspetto metallico.

In un reticolo di silicio, tutti gli atomi di silicio si legano perfettamente a quattro vicini, senza lasciare elettroni liberi per condurre corrente elettrica. Questo rende un cristallo di silicio un isolante piuttosto che un conduttore.

I metalli tendono ad essere buoni conduttori di elettricità perché di solito hanno \"elettroni liberi\" che possono muoversi facilmente tra gli atomi e l\'elettricità coinvolge il flusso di elettroni. Mentre i cristalli di silicio sembrano metallici, in realtà non sono metalli. Tutti gli elettroni esterni in un cristallo di silicio sono coinvolti in legami covalenti perfetti, quindi non possono muoversi. Un cristallo di silicio puro è quasi un isolante: pochissima elettricità scorrerà attraverso di esso.

Ma puoi cambiare tutto questo attraverso un processo chiamato doping.