I semiconduttori conducono l’elettricità grazie a bande energetiche specifiche, che permettono agli elettroni di muoversi sotto certi stimoli.
Come conducono l’elettricità i semiconduttori?
I semiconduttori sono materiali che hanno una conducibilità elettrica intermedia tra quella dei conduttori e degli isolanti. Sono alla base della moderna elettronica e trovano applicazione in una vasta gamma di dispositivi come transistor, diodi e celle solari. Ma come fanno esattamente questi materiali a condurre l’elettricità? Scopriamolo insieme.
Struttura e proprietà dei semiconduttori
I semiconduttori, come il silicio (Si) e il germanio (Ge), possiedono una struttura cristallina ordinata, nella quale ogni atomo è legato con quattro atomi vicini tramite legami covalenti. Questo tipo di struttura cristallina è essenziale per le loro proprietà elettriche uniche. A temperature molto basse, i semiconduttori si comportano quasi come isolanti, ma a temperature più elevate possono condurre elettricità.
Band gap e conduzione
Nei semiconduttori, gli elettroni occupano due bande di energia: la banda di valenza e la banda di conduzione separate da un intervallo di energia chiamato band gap. Perché un elettrone possa contribuire alla conduzione elettrica, deve avere abbastanza energia per attraversare questo band gap e passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione.
- In un semiconduttore intrinseco, gli elettroni devono essere eccitati termicamente (ossia tramite il calore) per saltare dal livello di valenza a quello di conduzione.
- In un semiconduttore estrinseco, vengono introdotti degli atomi impurità (drogaggio) che forniscono livelli energetici aggiuntivi, agevolando l’acquisizione o la cessione di elettroni.
Drogaggio: Tipi di semiconduttori
Il drogaggio è il processo di aggiungere impurità a un semiconduttore intrinseco per modificarne le proprietà elettriche. Esistono due tipi principali di drogaggio:
- Tipo n: Si aggiungono atomi con più elettroni di valenza rispetto al semiconduttore puro, creando così elettroni liberi nella banda di conduzione. Un esempio comune è il fosforo (P) aggiunto al silicio.
- Tipo p: Si aggiungono atomi con meno elettroni di valenza rispetto al semiconduttore puro, creando così “lacune” nella banda di valenza che possono essere riempite dagli elettroni vicini, facilitando la conduzione. Un esempio comune è il boro (B) aggiunto al silicio.
Conduzione elettrica nei semiconduttori
La conduzione elettrica nei semiconduttori avviene sia tramite il movimento di elettroni che tramite il movimento di lacune. Il processo può essere descritto in due modi principali:
- Movimento degli elettroni: In un semiconduttore di tipo n, gli elettroni liberi nella banda di conduzione si spostano sotto l’azione di un campo elettrico applicato, trasportando così una corrente.
- Movimento delle lacune: In un semiconduttore di tipo p, le lacune nella banda di valenza si spostano quando gli elettroni vicini si muovono per riempirle. Anche questo spostamento delle lacune costituisce una forma di conduzione.
Applicazioni dei semiconduttori
I semiconduttori sono fondamentali per molti dispositivi elettronici. Alcune delle loro applicazioni includono:
- Transistor: Utilizzati come amplificatori e commutatori in molti circuiti elettronici.
- Diodi: Permettono il flusso di corrente in una sola direzione, trovando applicazione nei raddrizzatori e nelle circuiti di protezione.
- Celle solari: Convertiscono la luce solare direttamente in elettricità tramite l’effetto fotovoltaico.
La comprensione del funzionamento dei semiconduttori è fondamentale per chiunque voglia avvicinarsi al mondo dell’elettronica e dell’ingegneria elettrica. Entrambi i loro comportamenti e le loro applicazioni continuano ad evolversi grazie alla continua ricerca e sviluppo in questo campo affascinante.
