Teoria dei Semiconduttori
I semiconduttori sono materiali inorganici o organici che posseggono la capacità di controllare la loro conducibilità in funzione della struttura chimica, della temperatura, dell’illuminazione e della presenza di droganti. Questi materiali hanno una conduttività elettrica intermedia tra un metallo, come il rame o l’oro, e un isolante, come il vetro. Essi presentano un gap energetico inferiore ai 4eV (circa 1eV).
Gap Energetico nei Semiconduttori
In fisica dello stato solido, il gap energetico o banda proibita è un intervallo di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione dove gli stati elettronici sono vietati. A differenza dei conduttori, gli elettroni nei semiconduttori devono acquisire energia (ad esempio, da radiazione ionizzante) per attraversare il gap energetico e raggiungere la banda di conduzione. Le proprietà dei semiconduttori sono determinate da questo gap tra le bande di valenza e di conduzione.
Struttura Elettronica dei Semiconduttori
La teoria dei semiconduttori si basa sul comportamento degli elettroni e delle lacune in una struttura a reticolo cristallino. Questa teoria è nota come struttura a bande elettroniche. La struttura a bande di un solido descrive l’intervallo dei livelli di energia che gli elettroni possono avere al suo interno, nonché gli intervalli di energia che non possono avere (dette bande proibite o gap).
I semiconduttori hanno una banda di valenza, che è la banda di energia più alta completamente riempita di elettroni, e una banda di conduzione, che è la banda di energia successiva vuota o parzialmente riempita di elettroni. Il gap energetico tra la banda di valenza e quella di conduzione è chiamato gap energetico.
Comportamento a Temperatura Zero e Ambiente
A temperatura assoluta zero, tutti gli elettroni in un semiconduttore si trovano nella banda di valenza e non ci sono elettroni liberi nella banda di conduzione. Tuttavia, a temperatura ambiente o superiore, alcuni elettroni nella banda di valenza possono essere eccitati dall’energia termica o da una fonte di energia esterna, come la luce o un campo elettrico, e saltare nella banda di conduzione, lasciando dietro di sé una lacuna nella banda di valenza.
Movimento di Elettroni e Lacune
Il movimento di questi elettroni liberi e lacune nella struttura a reticolo cristallino del semiconduttore può essere descritto dalle leggi della meccanica quantistica. Il comportamento di questi portatori di carica è influenzato da fattori come la struttura cristallina, la concentrazione e il tipo di drogaggio, la temperatura e la presenza di impurità o difetti nel reticolo cristallino.
Semiconduttori Intrinseci ed Estrinseci
I semiconduttori intrinseci hanno un numero perfettamente bilanciato di elettroni liberi e lacune, e la loro conducibilità è determinata dalla concentrazione intrinseca di elettroni liberi e lacune, che aumenta esponenzialmente con la temperatura. I semiconduttori estrinseci, drogati con impurità, hanno una concentrazione molto più alta di elettroni liberi o lacune, il che aumenta notevolmente la loro conducibilità e li rende utili per dispositivi elettronici.
Conclusione
La comprensione approfondita dei semiconduttori e delle loro proprietà è fondamentale per lo sviluppo di nuove tecnologie e dispositivi elettronici. Questo campo continua a essere un’area di ricerca attiva, con potenziali innovazioni che possono rivoluzionare il settore dell’elettronica.
