Arseniuro di gallio | Semiconduttore | Proprietà e applicazione

Il Gallio Arseniuro: Una Panoramica sui Semiconduttori

I semiconduttori, materiali organici o inorganici, hanno la capacità di controllare la loro conduzione elettrica in base alla struttura chimica, alla temperatura, all’illuminazione e alla presenza di droganti. Questi materiali, con una conduttività elettrica situata tra quella di un metallo (come rame o oro) e un isolante (come il vetro), presentano un gap energetico inferiore a 4eV (circa 1eV). In fisica dello stato solido, questo gap energetico o band gap rappresenta un intervallo energetico tra la banda di valenza e quella di conduzione dove gli stati elettronici sono proibiti. A differenza dei conduttori, gli elettroni nei semiconduttori necessitano di energia (ad esempio, da radiazioni ionizzanti) per attraversare il gap di banda e raggiungere la banda di conduzione.

Gallio Arseniuro (GaAs)

Il gallio arseniuro (GaAs) è un materiale semiconduttore utilizzato in diverse applicazioni elettroniche. Presenta vantaggi significativi rispetto al silicio, inclusa una maggiore mobilità degli elettroni, frequenze operative superiori e una migliore resistenza ai danni da radiazioni. Nel GaAs, la struttura cristallina è simile a quella del silicio, ma i legami tra gli atomi sono più forti, rendendolo un materiale più duraturo. Inoltre, essendo un materiale a gap diretto, il GaAs converte efficientemente l’energia elettrica in energia luminosa, rendendolo ideale per dispositivi optoelettronici come LED e diodi laser.

Viene comunemente utilizzato in dispositivi elettronici ad alta velocità, come transistor a microonde e circuiti integrati ad alta frequenza, grazie alla sua elevata mobilità elettronica. Trova impiego anche in celle solari e altri dispositivi fotovoltaici, data la sua alta capacità di assorbimento, che consente di convertire efficientemente l’energia luminosa in energia elettrica. Un altro vantaggio del GaAs è la sua elevata resistenza alle radiazioni, che lo rende adatto all’uso nello spazio e in altri ambienti ad alta radiazione. Questa proprietà è dovuta al fatto che il GaAs ha un gap energetico più alto rispetto al silicio, rendendolo più resistente ai difetti indotti dalle radiazioni. Tuttavia, un principale svantaggio del GaAs è il suo costo superiore rispetto al silicio, il che limita il suo uso in molte applicazioni di elettronica di consumo.

Tipologie di Semiconduttori

I semiconduttori si dividono in due tipi principali in base alle loro proprietà elettroniche:

• Semiconduttori Intrinseci: Sono semiconduttori puri costituiti da un unico elemento (ad esempio, Silicio, Germanio) e senza drogaggio intenzionale. Conducendo elettricità quando riscaldati, alcuni elettroni acquisiscono sufficiente energia per liberarsi dai loro legami e diventare elettroni liberi nella banda di conduzione.
• Semiconduttori Estrinseci: Sono semiconduttori drogati intenzionalmente con impurità per modificarne le proprietà elettroniche, suddivisi in:
• p-type: Con atomi di impurità come il boro, che hanno meno elettroni di valenza rispetto al materiale semiconduttore, creando “buchi” (assenza di elettroni) nella banda di valenza.
• n-type: Con atomi di
  impurità come il fosforo, che hanno più elettroni di valenza, creando elettroni in eccesso nella banda di conduzione.

Queste tipologie di semiconduttori hanno caratteristiche uniche che influenzano il loro comportamento elettrico e le loro applicazioni.

Confronto dei Semiconduttori

Ecco una tabella che confronta tre semiconduttori intrinseci e due tipi di semiconduttori p-type e n-type, evidenziando quattro proprietà chiave:

In conclusione, il gallio arseniuro e altri semiconduttori svolgono un ruolo cruciale in numerose applicazioni tecnologiche. Nonostante il costo più elevato rispetto al silicio, le loro proprietà uniche rendono il GaAs e altri materiali simili indispensabili in specifiche applicazioni industriali e di ricerca.