Come Funzionano i Semiconduttori
I semiconduttori sono materiali inorganici o organici che possono controllare la loro conduttività in base alla struttura chimica, alla temperatura, all’illuminazione e alla presenza di droganti. Il nome “semiconduttore” deriva dal fatto che questi materiali hanno una conduttività elettrica tra un metallo, come il rame o l’oro, e un isolante, come il vetro. Possiedono un gap energetico inferiore a 4eV (circa 1eV). Nella fisica dello stato solido, questo gap energetico o banda proibita è un intervallo energetico tra la banda di valenza e la banda di conduzione dove gli stati degli elettroni sono vietati.
Conducibilità Elettrica dei Semiconduttori
Ci sono diversi modi in cui un elettrone in un materiale semiconduttore può essere eccitato nella banda di conduzione, dove è libero di muoversi e trasportare una corrente elettrica. Alcuni dei modi più comuni includono:
Energia termica: A temperature più elevate, alcuni elettroni nella banda di valenza possono acquisire abbastanza energia termica per liberarsi e spostarsi nella banda di conduzione.
Radiazione elettromagnetica: La radiazione elettromagnetica, come la luce o altre forme di radiazione, può anche eccitare gli elettroni nella banda di conduzione.
Droga: Quando un materiale semiconduttore è drogato con impurità, crea un eccesso di elettroni o buchi nel materiale, contribuendo alla conduttività elettrica.
Campo elettrico: Un campo elettrico esterno può anche eccitare gli elettroni nella banda di conduzione.
Giunzione p-n
Quando un semiconduttore è drogato con impurità, si creano eccessi di elettroni (drogaggio di tipo n) o buchi (drogaggio di tipo p) nel materiale, che possono trasportare carica elettrica. La formazione di una giunzione p-n crea una regione depleta di portatori di carica chiamata regione di deplezione. Le giunzioni p-n vengono utilizzate come diodi: elementi di circuito che permettono il flusso di elettricità in una direzione ma non nell’altra.
Polarizzazione diretta: Quando una tensione è applicata attraverso la giunzione p-n in direzione di polarizzazione diretta, la regione di deplezione si restringe, permettendo il flusso di corrente.
Polarizzazione inversa: In direzione di polarizzazione inversa, la regione di deplezione si allarga, impedendo il flusso di corrente.
Transistor a Giunzione Bipolare (BJT)
Un BJT è un dispositivo elettronico a tre terminali che può amplificare o commutare segnali elettronici. È costituito dall’unione di tre strati di materiale semiconduttore: uno strato di tipo n, uno di tipo p e un altro di tipo n (per un transistor NPN) o di tipo p (per un transistor PNP). I BJT vengono utilizzati come amplificatori o interruttori a seconda di come sono configurati in un circuito.
Materiali per Semiconduttori
Ecco una tabella con 3 semiconduttori intrinseci e 2 semiconduttori di tipo p e n, insieme a 4 proprietà chiave:
Silicon (Si) Intrinsic: 1.12eV, 1500 cm²/Vs, 450 cm²/Vs, 150 W/mK
Germanium (Ge) Intrinsic: 0.67eV, 3900 cm²/Vs, 1900 cm²/Vs, 60 W/mK
Gallium Arsenide (GaAs) Intrinsic: 1.43eV, 8500 cm²/Vs, 400 cm²/Vs, 46 W/mK
Boron-doped Silicon (p-Si): 1.12eV, 1500 cm²/Vs, 1800 cm²/Vs, 150 W/mK
Phosphorus-doped Silicon (n-Si): 1.12eV, 1500 cm²/Vs, 4500 cm²/Vs, 150 W/mK
Tipi di Semiconduttori
I semiconduttori possono essere classificati in due tipi principali in base alle loro proprietà elettroniche: intrinseci ed estrinseci. I semiconduttori intrinseci sono puri, mentre quelli estrinseci sono intenzionalmente drogati con impurità per cambiare le loro proprietà elettroniche.
Teoria dei Semiconduttori
La teoria dei semiconduttori si basa sul comportamento degli elettroni e dei buchi in una struttura a reticolo cristallino. La struttura a bande elettroniche di un solido descrive il range di livelli energetici che gli elettroni possono avere al suo interno, così come i range di energia che non possono avere (dette bande proibite o gap). I semiconduttori hanno una banda di valenza, che è la banda energetica più alta completamente riempita di elettroni, e una banda di conduzione, che è la banda energetica successiva vuota o parzialmente riempita di elettroni. Il gap energetico tra la banda di valenza e quella di conduzione è chiamato gap a bande.
