Che cosa sono i semiconduttori e a cosa servono?

I semiconduttori sono alla base della tecnologia dell’informazione e rappresentano un pilastro dell’era moderna. I semiconduttori sono presenti praticamente ovunque nei nostri dispositivi, dai telefoni, ai computer, ai pannelli fotovoltaici fino ai più semplici componenti elettronici come i diodi oppure i transistor. I semiconduttori sono una tipologia di materiali che risultano particolarmente facili da manipolare per poter gestire in maniera controllata il movimento di elettroni. Proprio per questo assumono un ruolo fondamentale nell’era moderna. Gli elettroni infatti muovendosi permettono un flusso di corrente ed una variazione di tensione che, opportunamente gestiti, permettono la trasmissione e l’elaborazione di segnali dando così vita ed operabilità ai circuiti elettronici.

In questo articolo verranno presentate le caratteristiche principali dei materiali semiconduttori ed il loro utilizzo.

Teoria delle bande di energia

Gli atomi di un materiale solido sono distribuiti secondo una struttura cristallina periodica. All’interno di tale struttura, gli elettroni di cui sono dotati gli atomi presentano dei livelli definiti di energia. Il livello di energia cui può trovarsi un elettrone dipende dalle caratteristiche del materiale e da altri fattori come ad esempio la temperatura.

Si distinguono due tipi di bande di energia:

1. Banda di valenza: è la più alta banda energetica in cui possono trovarsi gli elettroni quando il materiale è allo zero termico assoluto (0º K).
2. Banda di conduzione: è posizionata al di sopra della banda di valenza, gli elettroni che occupano questa banda sono liberi di muoversi all’interno del reticolo del materiale.

Esiste una ulteriore banda, detta banda proibita (E_g, Energy gap), che è presente tra la banda di valenza e quella di conduzione quando queste non sono sovrapposte. La banda proibita rappresenta l’intervallo di energie in cui non è possibile trovare elettroni. La banda proibita viene quantificata tramite elettronVolt (eV).

A seconda della posizione di ciascuna banda è possibile classificare un materiale come conduttore, semiconduttore oppure isolante. Nella figura seguente vediamo la distinzione tra queste tipologia di materiale in termini di bande energetiche.

Differenza tra materiale conduttore, semiconduttore, isolante

A partire dalla diversa distribuzione delle bande di energia è possibile distinguere tre distinte tipologie di materiale: conduttore, semiconduttore ed isolante.

• Conduttore: la banda di valenza e di conduzione sono parzialmente sovrapposte. Gli elettroni sono legati al nucleo da una forza relativamente debole. In presenza di sufficiente energia, come in presenza di un campo elettrico esterno, gli elettroni sono liberi di muoversi, liberarsi dall’atomo realizzando quindi la caratteristica di conducibilità del materiale. I materiali conduttori sono in grado di condurre alla temperatura di 0º K. Rientrano tra i conduttori, ad esempio, i metalli.
• Isolante: la banda di valenza è separata dalla banda di conduzione da una banda proibita molto ampia che limita quindi il passaggio di elettroni. Né l’agitazione termica degli atomi né l’azione di un campo elettrico esterno è in grado facilmente di portare gli elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione. Negli isolanti, la banda proibita è tipicamente dell’ordine di qualche eV. Esempi di materiali isolanti sono la plastica, la ceramica, il diamante.
• Semiconduttore: l’ampiezza della banda proibita è relativamente piccola e questo rende possibile un eventuale passaggio di elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione. A temperatura pari a 0º K, un materiale semiconduttore si comporta come un isolante. A temperature molto al di sopra di 0º K, l’agitazione termica può essere tale da permettere il salto di un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione. I semiconduttori hanno tipicamente una banda proibita di circa 1 eV, nel silicio, ad esempio, la banda proibita è di 1,1 eV. Tra i materiali semiconduttori ci sono il silicio ed il germanio.

I semiconduttori sono materiali dotati di proprietà elettriche intermedie tra quelle di un conduttore (ad esempio i metalli) e di un isolante (ad esempio la ceramica). Questa proprietà rende i semiconduttori ideali per controllare il flusso di corrente elettrica.

Tipi di semiconduttori: intrinseci ed estrinseci

È possibile distinguere due tipologie di semiconduttori ovvero i semiconduttori intrinseci e quelli estrinseci.

Le differenze tra semiconduttore intrinseco ed estrinseco sono:

• Semiconduttore intrinseco: è un tipo di materiale che si comporta come semiconduttore nella sua forma pura ovvero senza l’aggiunta di impurità nella propria composizione come ad esempio il silicio o il germanio. A temperatura superiore lo zero termico, alcuni elettroni possono spostarsi dalla banda di valenza a quella di conduzione. Al passaggio di un elettrone alla banda di conduzione, si crea contemporaneamente una lacuna nella banda di valenza. A questo punto, all’interno della banda di valenza, si può creare un movimento di elettroni che vanno ad occupare una lacuna cercando di bilanciare il sistema. All’aumentare della temperatura, aumenta la conducibilità elettrica in quanto un numero maggiore di elettroni vengono eccitati nella banda di conduzione.
• Semiconduttore estrinseco: è un tipo di materiale semiconduttore a cui sono state aggiunte delle impurità al fine di migliorarne le caratteristiche di conducibilità. L’inserimento di tali impurità si chiama drogaggio e consiste nell’introdurre elementi che alterano il numero dei portatori di carica, siano essi elettroni o lacune. I semiconduttori estrinseci si divino in semiconduttori di tipo n e di tipo p.

Drogaggio di tipo n

Il drogaggio di tipo n è ottenuto andando ad introdurre un eccesso di elettroni all’interno della struttura del materiale semiconduttore. Si prenda in considerazione l’atomo di silicio, un materiale semiconduttore il cui atomo è costituito da quattro elettroni di valenza e che si lega ad altri atomi della struttura tramite legami covalenti.

Nella immagine si nota come sia stato ottenuto un drogaggio di tipo n all’interno di un cristallo di silicio. Un atomo di silicio è stato sostituito con un atomo di arsenico detto atomo donatore. L’arsenico è un elemento pentavalente e quindi introduce un elettrone che però è debolmente legato all’atomo donatore in quanto libero da legami covalenti con altri atomi. Questo elettrone, al crescere della temperatura, può muoversi liberamente.

Gli atomi donatori occupano un livello di energia leggermente inferiore a quello della banda di conduzione.

Il drogaggio di tipo n porta all’aumento di cariche negative, gli elettroni, senza introdurre cariche positive, le lacune.

Drogaggio di tipo p

Il drogaggio di tipo p è ottenuto andando ad introdurre nel materiale semiconduttore un eccesso di lacune. Prendiamo nuovamente in considerazione la struttura del silicio. Il drogaggio di tipo p del silicio viene realizzato sostituendo alcuni atomi del semiconduttore con un atomo di un elemento trivalente.

Un atomo di silicio è sostituito da un atomo di borio che essendo trivalente forma solo tre legami covalenti e porta alla formazione di una lacuna. In questo caso l’atomo di borio è detto atomo accettore. L’assenza di un elettrone per formare il legame covalente equivale ad una lacuna. Tale lacuna potrà essere colmata eventualmente da un elettrone nella sua prossimità. Queste lacune, muovendosi all’interno del reticolo del materiale realizzano un flusso di corrente nella direzione opposta al movimento degli elettroni.

Gli atomi accettori occupano un livello di energia leggermente superiore a quello della banda di valenza.

Il drogaggio di tipo p porta all’aumento di cariche positive, le lacune, senza introdurre cariche negative, gli elettroni.

A cosa servono i semiconduttori

I semiconduttori sono indispensabili nel poter gestire in maniera controllata i materiali ed in particolare la loro conducibilità elettrica così da poter gestire al meglio il flusso di corrente e quindi i segnali che ne derivano. La possibilità di gestirne la maniera in cui scorra la corrente al loro interno li rende utili per svariate applicazione che ad oggi coprono la maggior parte degli ambiti tecnologici. I semiconduttori vengono principalmente utilizzati nei seguenti ambiti:

• Transistor: i semiconduttori sono la base realizzativa di svariati componenti tra cui il transistor. Il transistor svolgono essenzialmente funzioni di controllo della corrente ed amplificazione del segnale elettrico e risultano alla base di dispositivi più complessi come computer e telefoni.
• Microprocessori: sono costituiti da centinaia di transistor e rappresentano la logica di qualsiasi dispositivo complesso.
• Memorie: le memorie allo stato solido si basano su tecnologia a semiconduttore permettendo una efficiente lettura, scrittura ed accesso ai dati.
• Celle fotovoltaiche: realizzate a partire da uno strato di semiconduttore. Quando la luce colpisce il semiconduttore, l’eccitazione degli elettroni che ne consegue, porta ad un flusso di corrente elettrica.
• Componenti elettronici: la maggior parte dei componenti elettronici sono ottenuti sfruttando le proprietà dei semiconduttori e la combinazione di materiali con diversi drogaggi. Tra i componenti a semiconduttore più importanti si ricordano: diodi, led, fotodiodi, ma anche dispositivi elettronici più complessi come raddrizzatori ed inverter. Si basano su tecnologia a semiconduttore anche tantissimi dispositivi come sensori di movimento, di pressione, di temperatura etc.

I semiconduttori sono utilizzati in qualsiasi dispositivo che contenga dell’elettronica come computer, telefoni, apparecchiature medicali, elettrodomestici, dispositivi per radio e tele trasmissione, etc.