Semiconduttività e Semiconduttori: Un Panorama Generale
La semiconduttività è una caratteristica peculiare di alcuni materiali che consente loro di condurre elettricità sotto determinate condizioni. I semiconduttori, situati in una posizione intermedia tra conduttori e isolanti, giocano un ruolo cruciale nell’elettronica moderna.
La Struttura dei Semiconduttori
Nei semiconduttori, la banda di valenza (l’ultima banda completamente riempita di elettroni) è separata dalla banda di conduzione (la prima banda parzialmente riempita) da un gap energetico, noto come “bandgap”. Questo implica che è necessaria una certa quantità di energia per spostare un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione. L’ampiezza del bandgap determina l’energia necessaria per attivare la conduzione elettrica nel materiale.
Conduzione nei Semiconduttori
A temperatura ambiente, alcuni elettroni nella banda di valenza dei semiconduttori acquisiscono sufficiente energia termica per “saltare” il bandgap e muoversi nella banda di conduzione, generando elettroni liberi che possono muoversi liberamente nel materiale. Tuttavia, il numero di elettroni liberi nei semiconduttori è inferiore rispetto ai conduttori, il che si traduce in una minore conducibilità elettrica.
Il Doping nei Semiconduttori
È possibile incrementare la conducibilità elettrica dei semiconduttori attraverso il processo di doping, che consiste nell’aggiungere intenzionalmente impurità al materiale. Il doping può generare eccesso di elettroni (doping di tipo n) o lacune (doping di tipo p), migliorando la conducibilità e rendendo i semiconduttori utili in varie applicazioni elettroniche.
Applicazioni dei Semiconduttori
I semiconduttori trovano impiego in dispositivi elettronici come transistor, diodi, celle solari e circuiti integrati. Sono inoltre utilizzati in optoelettronica, nel calcolo quantistico e in altre tecnologie avanzate.
Caratteristiche Principali dei Semiconduttori
- Conducibilità Variabile: I semiconduttori possono condurre elettricità sotto certe condizioni, come l’esposizione a luce o calore, e agire da isolanti in altre circostanze.
- Bandgap: La grandezza del bandgap determina l’energia necessaria perché un semiconduttore diventi conduttore.
- Doping: La modifica delle proprietà elettriche tramite doping introduce elettroni o lacune nel materiale, modificandone la conducibilità.
- Dipendenza dalla Temperatura: La conducibilità elettrica dei semiconduttori è fortemente dipendente dalla temperatura.
- Sensibilità alla Luce: Alcuni semiconduttori sono sensibili alla luce e vengono utilizzati in celle fotovoltaiche, sensori di luce e LED.
- Portatori di Minoranza: Elettroni e lacune nei semiconduttori sono noti come portatori di minoranza, fondamentali per determinare le proprietà elettriche del materiale.
Semiconduttori Intrinseci ed Estrinseci
I semiconduttori possono essere classificati in:
- Intrinseci: Sono semiconduttori puri, fatti di un singolo elemento e senza doping intenzionale. La loro conducibilità è influenzata dalla temperatura.
- Estrinseci: Sono semiconduttori dopati intenzionalmente per modificare le loro proprietà elettroniche. Possono essere di tipo p (con lacune) o di tipo n (con eccesso di elettroni).
Teoria della Semiconduttività
La teoria della semiconduttività si basa sul comportamento degli elettroni e delle lacune in una struttura cristallina. Questo comportamento può essere descritto dalle leggi della meccanica quantistica e dipende da fattori come la struttura cristallina, la concentrazione e il tipo di doping, la temperatura e la presenza di impurità o difetti nella struttura cristallina. I semiconduttori intrinseci presentano un equilibrio perfetto tra elettroni liberi e lacune, mentre i semiconduttori estrinseci, grazie al doping, hanno una maggiore concentrazione di elettroni liberi o lacune, aumentando significativamente la loro conducibilità e rendendoli utili in dispositivi elettronici.
