Semiconduttore al silicio | Proprietà e applicazione

Semiconduttori di Silicio

I semiconduttori sono materiali inorganici o organici che hanno la capacità di controllare la loro conduzione a seconda della struttura chimica, della temperatura, dell’illuminazione e della presenza di droganti. Il nome “semiconduttore” deriva dal fatto che questi materiali hanno una conduttività elettrica intermedia tra un metallo, come il rame o l’oro, e un isolante, come il vetro. Posseggono un gap energetico inferiore a 4 eV (circa 1 eV). In fisica dello stato solido, questo gap energetico o “band gap” è 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 devono ottenere energia (ad esempio, dalla radiazione ionizzante) per attraversare il band gap e raggiungere la banda di conduzione. Le proprietà dei semiconduttori sono determinate dal gap energetico tra bande di valenza e di conduzione.

Il Semiconduttore di Silicio

Il silicio (Si) è il materiale semiconduttore più utilizzato nell’industria elettronica. Ha un bandgap di 1,1 elettronvolt (eV), valore ottimale per i dispositivi elettronici. Uno dei principali vantaggi del silicio è la sua abbondanza e basso costo. Essendo il secondo elemento più abbondante sulla Terra dopo l’ossigeno, può essere facilmente purificato dalla sabbia o dal quarzo, rendendolo ideale per la produzione su larga scala di dispositivi elettronici. Il silicio si distingue anche per la sua alta stabilità e affidabilità, essendo non soggetto a impurità o altri difetti. Questo consente una prestazione consistente dei dispositivi elettronici in un ampio intervallo di condizioni operative. Il silicio ha inoltre eccellenti proprietà meccaniche, come alta resistenza e durezza, rendendolo adatto per l’uso in sistemi microelettromeccanici (MEMS). Inoltre, può essere facilmente trasformato in film sottili e integrato con altri materiali per formare strutture complesse, rendendolo ideale per l’uso nella microelettronica e nei circuiti integrati. Tuttavia, una limitazione del silicio è la sua relativamente bassa mobilità elettronica rispetto ad altri materiali semiconduttori come l’arseniuro di gallio e il nitruro di gallio, limitandone le prestazioni in dispositivi elettronici ad alta frequenza e alta potenza. Nonostante ciò, il silicio rimane il pilastro dell’industria dei semiconduttori grazie alla sua abbondanza, basso costo e affidabilità, e probabilmente continuerà a dominare il mercato per il futuro prevedibile.

Tipi di Semiconduttori

I semiconduttori possono essere classificati in due tipi principali in base alle loro proprietà elettroniche:

• Semiconduttori Intrinseci: Sono semiconduttori puri costituiti da un singolo elemento (ad esempio, Silicio, Germanio) senza drogaggio intenzionale con impurità. I semiconduttori intrinseci hanno un numero specifico di elettroni nelle loro bande di valenza e di conduzione. Essi conducono elettricità quando vengono riscaldati, e alcuni elettroni acquisiscono energia sufficiente per liberarsi dai loro legami e diventare elettroni liberi nella banda di conduzione.
• Semiconduttori Estrinseci: Sono semiconduttori impuri intenzionalmente drogati con impurità per cambiare le loro proprietà elettroniche. I semiconduttori estrinseci possono essere ulteriormente classificati in due tipi:
• p-type: Nei semiconduttori di tipo p, atomi di impurità come il boro vengono introdotti nel materiale semiconduttore. Queste impurità hanno meno elettroni di valenza rispetto al materiale semiconduttore, il che comporta la creazione di “buchi” (assenza di elettroni) nella banda di valenza. Questi buchi possono condurre corrente come portatori di carica positivi, conferendo al materiale la designazione di tipo p.
• n-type: Nei semiconduttori di tipo n, atomi di impurità come il fosforo vengono introdotti nel materiale semiconduttore. Queste impurità hanno più elettroni di valenza rispetto al materiale semiconduttore, creando elettroni in eccesso nella banda di conduzione. Questi elettroni in eccesso possono condurre corrente come portatori di carica negativi, conferendo al materiale la designazione di tipo n.

Tabella dei Semiconduttori

Ecco una tabella che mostra 3 semiconduttori intrinseci e 2 semiconduttori di tipo p e n, insieme a 4 proprietà chiave: