Caratteristiche dei semiconduttori | Conduttività, bandgap e doping

Caratteristiche dei Semiconduttori

I semiconduttori sono materiali inorganici o organici che controllano la loro conduzione a seconda della struttura chimica, della temperatura, dell’illuminazione e della presenza di droganti. Questi materiali hanno una conduttività elettrica intermedia tra un metallo, come rame o oro, e un isolante, come il vetro, con un gap energetico inferiore a 4eV (circa 1eV). In fisica dello stato solido, questo gap energetico o banda proibita è un intervallo di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione dove gli stati degli elettroni sono vietati. A differenza dei conduttori, gli elettroni nei semiconduttori devono ottenere energia (ad esempio, dalla radiazione ionizzante) per attraversare il gap di banda e raggiungere la banda di conduzione.

Caratteristiche Principali

I semiconduttori hanno una conduttività tra quella di un conduttore e un isolante, controllata dal doping, dalla temperatura e dai campi elettrici applicati, e sono ampiamente utilizzati nei dispositivi elettronici.

Conduttività variabile: I semiconduttori possono condurre elettricità in certe condizioni, come quando esposti alla luce o al calore, oppure possono agire come isolanti in condizioni diverse.

Gap di banda: I semiconduttori hanno un gap di banda, che è l’energia necessaria per spostare un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione. La dimensione del gap di banda determina l’energia necessaria affinché il semiconduttore diventi un conduttore.

Doping: I semiconduttori possono essere drogati con impurità per modificare le loro proprietà elettriche. Il doping introduce elettroni aggiuntivi o “buchi” nel materiale, che possono aumentare o diminuire la sua conduttività.

Dipendenza dalla temperatura: La conduttività elettrica dei semiconduttori è altamente dipendente dalla temperatura. Con l’aumentare della temperatura, generalmente aumenta anche la conduttività del materiale.

Sensibilità alla luce: Alcuni semiconduttori sono sensibili alla luce e possono essere utilizzati in applicazioni come celle fotovoltaiche, sensori di luce e LED.

Portatori minoritari: Nei semiconduttori, elettroni e buchi sono noti come portatori minoritari. Questi portatori possono essere manipolati e controllati per produrre proprietà elettriche desiderate nel materiale.

Semiconduttori Intrinseci ed Estrinseci

I semiconduttori possono essere classificati in due tipi basati sulle loro proprietà elettroniche:

Semiconduttori Intrinseci: Questi sono semiconduttori puri composti da un singolo elemento (ad esempio, Silicio, Germanio) senza drogaggio intenzionale con impurità.

Semiconduttori Estrinseci: Sono semiconduttori impuri, intenzionalmente drogati con impurità per cambiare le loro proprietà elettroniche. Possono essere ulteriormente classificati in due tipi:

p-type: Nei semiconduttori p-type, atomi di impurità come il boro vengono introdotti nel materiale semiconduttore. Queste impurità hanno meno elettroni di valenza rispetto al materiale semiconduttore, risultando nella creazione di “buchi” nella banda di valenza.

n-type: Nei semiconduttori n-type, atomi di impurità come il fosforo vengono introdotti. Queste impurità hanno più elettroni di valenza rispetto al materiale semiconduttore, creando eccesso di elettroni nella banda di conduzione.

Tabella dei Semiconduttori

Ecco una tabella con 3 semiconduttori intrinseci e 2 semiconduttori p-type e n-type, insieme a 4 proprietà chiave:

Semiconduttore	Tipo	Gap di Banda (eV)	Mobilità degli Elettroni (cm²/Vs)	Mobilità dei Buchi (cm²/Vs)	Conduttività Termica (W/mK)
Silicio (Si)	Intrinseco	1.12	1500	450	150
Germanio (Ge)	Intrinseco	0.67	3900	1900	60
Arseniuro di Gallio (GaAs)	Intrinseco	1.43	8500	400	46
Silicio drogato con Boro (p-Si)	p-type	1.12	1500	1800	150
Silicio drogato con Fosforo (n-Si)	n-type	1.12	1500	4500	150
Arseniuro di Gallio drogato con Alluminio (p-GaAs)	p-type	1.43	8500	200	46
Arseniuro di Gallio drogato con Silicio (n-GaAs)	n-type	1.43	8500	800	46