Tipi di Semiconduttori
I semiconduttori sono materiali inorganici o organici che possono 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 conducibilità elettrica intermedia tra un metallo, come il rame o l’oro, e un isolante, come il vetro. Posseggono un gap energetico inferiore a 4eV (circa 1eV). Nella fisica dello stato solido, questo gap energetico o band gap è un intervallo energetico tra la banda di valenza e la banda di conduzione dove gli stati degli elettroni sono proibiti. A differenza dei conduttori, gli elettroni dei semiconduttori devono ottenere energia (ad esempio, dalla radiazione ionizzante) per attraversare il band gap e raggiungere la banda di conduzione.
Classificazione dei Semiconduttori
I semiconduttori possono essere classificati in due tipi principali in base alle loro proprietà elettroniche:
- Semiconduttori Intrinseci: Sono semiconduttori puri composti da un singolo elemento (ad esempio, Silicio, Germanio) e non sono intenzionalmente drogati con impurità. I semiconduttori intrinseci hanno un numero specifico di elettroni nella loro banda di valenza e banda di conduzione. 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 che vengono intenzionalmente drogati con impurità per cambiare le loro proprietà elettroniche. Possono essere ulteriormente classificati in due tipi:
- Semiconduttori di tipo p: In questi, atomi di impurità come il boro vengono introdotti nel materiale semiconduttore. Queste impurità hanno meno elettroni di valenza rispetto al materiale semiconduttore, creando così “buchi” (assenza di elettroni) nella banda di valenza. Questi buchi possono condurre corrente come portatori di carica positiva, conferendo al materiale la sua designazione di tipo p.
- Semiconduttori di tipo n: In questi, atomi di impurità come il fosforo vengono introdotti. Queste impurità hanno più elettroni di valenza rispetto al materiale semiconduttore, creando un eccesso di elettroni nella banda di conduzione. Questi elettroni in eccesso possono condurre corrente come portatori di carica negativa, conferendo al materiale la sua designazione di tipo n.
Proprietà Chiave di Alcuni Semiconduttori
| Semiconduttore | Tipo | Gap Band (eV) | Mobilità Elettronica (cm²/Vs) | Mobilità dei Buchi (cm²/Vs) | Conduttività Termica (W/mK) |
|---|---|---|---|---|---|
| Silicio (Si) | Intrinseco | 1.12 | 1500 | 450 | 150 |
| Germanio (Ge) | Intrinseco | 0.67 | 3900 | 1900 | 60 |
| Arseniuro di Gallio (GaAs) | Intrinseco | 1.43 | 8500 | 400 | 46 |
| Silicio drogato con Boro (p-Si) | p-tipo | 1.12 | 1500 | 1800 | 150 |
| Silicio drogato con Fosforo (n-Si) | n-tipo | 1.12 | 1500 | 4500 | 150 |
Materiali Semiconduttori Comuni
Esistono molti tipi di semiconduttori in natura e altri sintetizzati in laboratorio; tuttavia, i più noti sono il silicio (Si) e il germanio (Ge). Il silicio è un elemento chimico con numero atomico 14, il che significa che ci sono 14 protoni e 14 elettroni nella struttura atomica. Il simbolo chimico per il Silicio è Si. È un solido cristallino duro e fragile con un lustro metallico blu-grigio, ed è un metalloide tetravalente e semiconduttore. Il silicio è principalmente utilizzato per rilevatori di particelle cariche e rilevatori di raggi X morbidi. Il grande gap energetico (Egap = 1.12 eV) consente di operare il rilevatore a temperatura ambiente, anche se la refrigerazione è preferita per ridurre il rumore.
Il germanio è un elemento chimico con numero atomico 32, il che significa che ci sono 32 protoni e 32 elettroni nella sua struttura atomica. Il simbolo chimico per il Germanio è Ge. È un metalloide lustruoso, duro, di colore grigio-bianco nel gruppo del carbonio, chimicamente simile ai suoi vicini di gruppo, lo stagno e il silicio. Il germanio puro è un semiconduttore con un aspetto simile al silicio elementare. Il germanio è ampiamente utilizzato per la spettroscopia gamma. Nella spettroscopia gamma, il germanio è preferito a causa del suo numero atomico molto più alto rispetto al silicio, aumentando la probabilità di interazione con i raggi gamma. Il germanio è più utilizzato del silicio per la rilevazione di radiazioni perché l’energia media necessaria per creare una coppia elettrone-buco è di 3,6 eV per il silicio e di 2,9 eV per il germanio, il che conferisce a quest’ultimo una migliore risoluzione energetica. D’altra parte, il germanio ha un piccolo gap energetico (Egap = 0.67 eV), il che richiede l’operazione del rilevatore a temperature criogeniche.
