Semiconduttori: Fondamenti e Applicazioni
I semiconduttori, materiali inorganici o organici, sono fondamentali nel mondo della tecnologia moderna. Possono controllare la loro conduzione in base alla struttura chimica, temperatura, illuminazione e presenza di droganti. Il movimento degli elettroni liberi e delle lacune nella struttura cristallina dei semiconduttori segue le leggi della meccanica quantistica. Esistono due tipi principali di semiconduttori: intrinseci ed estrinseci (drogati).
Caratteristiche dei Semiconduttori
La principale caratteristica dei semiconduttori è la loro conduttività variabile. Hanno un gap energetico (band gap) inferiore a 4eV, circa 1eV, situato tra la banda di valenza e quella di conduzione, dove gli stati elettronici sono proibiti. Questi materiali hanno una conduttività elettrica tra quella di un metallo, come il rame, e un isolante, come il vetro.
I semiconduttori sono sensibili alla temperatura: la loro conduttività aumenta con l’aumentare della temperatura. Sono inoltre sensibili alla luce e possono essere drogati con impurità per modificarne le proprietà elettriche, introducendo elettroni aggiuntivi o “buche” (lacune di elettroni) nel materiale.
Tipi di Semiconduttori
I semiconduttori intrinseci sono puri, fatti di un singolo elemento come il silicio o il germanio, senza droganti intenzionali. In condizioni normali, il numero di elettroni eccitati e il numero di buche sono uguali: n = p. I semiconduttori estrinseci, invece, sono drogati intenzionalmente con impurità per cambiare le loro proprietà elettroniche. Si dividono in:
- p-tipo: dove atomi di impurità come il boro creano “buche” nella banda di valenza.
- n-tipo: dove atomi di impurità come il fosforo introducono elettroni extra nella banda di conduzione.
Applicazioni dei Semiconduttori
I semiconduttori trovano impiego in una vasta gamma di applicazioni elettroniche:
- Dispositivi elettronici: transistor, diodi, circuiti integrati.
- Celle solari: in particolare il silicio, che quando colpito dalla luce genera un flusso di elettroni.
- Illuminazione: diodi a emissione di luce (LED).
- Elettronica di potenza: inverter, convertitori di potenza, regolatori di tensione.
- Sensori: per rilevare e misurare proprietà fisiche come temperatura, pressione e luce.
Semiconduttori Intrinseci e Drogati
Nei semiconduttori intrinseci, il numero di portatori di carica è determinato dalle proprietà del materiale stesso, mentre nei sem
iconduttori drogati, questo numero è influenzato dalla presenza di impurità. Ad esempio, un campione di germanio puro a 20 °C contiene circa
2.5
×
1
0
13
2.5×10
13
elettroni liberi e buche, prodotti dall’eccitazione termica. Aggiungendo arsenico (un drogante) a un semiconduttore, si aumentano gli elettroni liberi, migliorando la conduttività elettrica.
Teoria dei Semiconduttori
La teoria dei semiconduttori si basa sul comportamento degli elettroni e delle buche in una struttura cristallina. Questa teoria, nota come struttura a bande elettroniche, descrive i livelli energetici che gli elettroni possono avere all’interno di un solido, nonché gli intervalli energetici che non possono avere (bande proibite). A temperatura assoluta zero, tutti gli elettroni di un semiconduttore sono nella banda di valenza e non ci sono elettroni liberi nella banda di conduzione. A temperatura ambiente o superiore, alcuni elettroni nella banda di valenza possono essere eccitati da energia termica o da una fonte esterna di energia, come la luce o un campo elettrico, e saltare nella banda di conduzione, lasciando dietro di sé una buca nella banda di valenza.
Il comportamento di questi portatori di carica è influenzato da fattori come la struttura cristallina, la concentrazione e il tipo di drogante, la temperatura e la presenza di impurità o difetti nella struttura cristallina.
Giunzione P-N e Rilevamento della Radiazione
Il rilevatore di semiconduttore funziona meglio se viene applicata una tensione esterna alla giunzione in direzione inversa (reverse bias). La regione di esaurimento funziona come un rilevatore di radiazioni. Miglioramenti possono essere ottenuti utilizzando una tensione di polarizzazione inversa per svuotare il rilevatore dai portatori di carica liberi, principio alla base della maggior parte dei rilevatori a semiconduttore.
I rilevatori di germanio hanno una struttura p-i-n, dove la regione intrinseca (i) è sensibile alla radiazione ionizzante, in particolare ai raggi X e gamma. Sotto polarizzazione inversa, un campo elettrico si estende attraverso la regione intrinseca o esaurita. La carica generata dall’interazione con un fotone entrante viene convertita in un impulso di tensione da un preamplificatore sensibile alla carica integrato.
In conclusione, i semiconduttori sono materiali versatili e fondamentali per la tecnologia moderna, con applicazioni che vanno dai dispositivi elettronici ai sensori e ai rilevatori di radiazioni.
