SEMICONDUTTORI: TIPOLOGIE, APPLICAZIONI ED ESEMPI - DUDAS

I semiconduttori sono elementi che svolgono la funzione di selettivamente conduttivi o isolanti, a seconda delle condizioni esterne a cui sono sottoposti, quali temperatura, pressione, radiazione e campi elettrici o magnetici.

Nella tavola periodica sono presenti 14 elementi semiconduttori, tra i quali spiccano silicio, germanio, selenio, cadmio, alluminio, gallio, boro, indio e carbonio. I semiconduttori sono solidi cristallini con conduttività elettrica media, quindi possono essere usati contemporaneamente come conduttore e isolante.

Se utilizzati come conduttori, in determinate condizioni consentono la circolazione della corrente elettrica, ma solo in una direzione. Inoltre, non hanno una conduttività elevata come i metalli conduttivi.

I semiconduttori sono utilizzati nelle applicazioni elettroniche, in particolare per la produzione di componenti come transistor, diodi e circuiti integrati. Sono anche utilizzati come accessori o complementi per sensori ottici, come laser a stato solido, e alcuni dispositivi di potenza per sistemi di trasmissione di energia elettrica.

Attualmente, questo tipo di elemento viene utilizzato per sviluppi tecnologici nei settori delle telecomunicazioni, dei sistemi di controllo e dell'elaborazione dei segnali, sia in applicazioni domestiche che industriali.

tipi

Esistono diversi tipi di materiali semiconduttori, a seconda delle impurità che presentano e della loro risposta fisica ai diversi stimoli ambientali.

Semiconduttori intrinseci

Sono quegli elementi la cui struttura molecolare è costituita da un unico tipo di atomo. Tra questi tipi di semiconduttori intrinseci ci sono il silico e il germanio.

La struttura molecolare dei semiconduttori intrinseci è tetraedrica; cioè, ha legami covalenti tra quattro atomi circostanti, come presentato nell'immagine sotto.

Ogni atomo di un semiconduttore intrinseco ha 4 elettroni di valenza; cioè 4 elettroni orbitanti nel guscio più esterno di ogni atomo. A sua volta, ciascuno di questi elettroni forma legami con elettroni adiacenti.

In questo modo, ogni atomo ha 8 elettroni nel suo strato più superficiale, che forma un legame solido tra gli elettroni e gli atomi che compongono il reticolo cristallino.

A causa di questa configurazione, gli elettroni non si muovono facilmente all'interno della struttura. Pertanto, in condizioni standard, i semiconduttori intrinseci si comportano come un isolante.

Tuttavia, la conduttività del semiconduttore intrinseco aumenta ogni volta che la temperatura aumenta, poiché alcuni elettroni di valenza assorbono l'energia termica e si separano dai legami.

Questi elettroni diventano elettroni liberi e, se opportunamente diretti da una differenza di potenziale elettrico, possono contribuire al flusso di corrente all'interno del reticolo cristallino.

In questo caso, gli elettroni liberi saltano nella banda di conduzione e vanno al polo positivo della sorgente potenziale (una batteria, per esempio).

Il movimento degli elettroni di valenza induce un vuoto nella struttura molecolare, che si traduce in un effetto simile a quello prodotto da una carica positiva nel sistema, motivo per cui sono considerati portatori di carica positiva.

Quindi, c'è un effetto inverso, poiché alcuni elettroni possono cadere dalla banda di conduzione al guscio di valenza rilasciando energia nel processo, che è chiamato ricombinazione.

Semiconduttori estrinseci

Si conformano includendo le impurità all'interno dei conduttori intrinseci; cioè incorporando elementi trivalenti o pentavalenti.

Questo processo è noto come drogaggio e il suo scopo è aumentare la conduttività dei materiali, migliorarne le proprietà fisiche ed elettriche.

Sostituendo un atomo di semiconduttore intrinseco con un atomo di un altro componente, è possibile ottenere due tipi di semiconduttori estrinseci, descritti di seguito.

Semiconduttore di tipo P.

In questo caso, l'impurità è un elemento semiconduttore trivalente; cioè con tre (3) elettroni nel suo guscio di valenza.

Gli elementi intrusivi all'interno della struttura sono chiamati elementi dopanti. Esempi di questi elementi per semiconduttori di tipo P sono boro (B), gallio (Ga) o indio (In).

In mancanza di un elettrone di valenza per formare i quattro legami covalenti di un semiconduttore intrinseco, il semiconduttore di tipo P ha un vuoto nel legame mancante.

Questo fa passare gli elettroni che non appartengono al reticolo cristallino attraverso questo foro che trasporta una carica positiva.

A causa della carica positiva del gap di legame, questi tipi di conduttori sono indicati con la lettera "P" e, di conseguenza, sono riconosciuti come accettori di elettroni.

Il flusso di elettroni attraverso i buchi nel legame produce una corrente elettrica che circola nella direzione opposta alla corrente derivata dagli elettroni liberi.

Semiconduttore di tipo N.

L'elemento invadente nella configurazione è dato dagli elementi pentavalenti; cioè quelli che hanno cinque (5) elettroni nella banda di valenza.

In questo caso, le impurità incorporate nel semiconduttore intrinseco sono elementi come fosforo (P), antimonio (Sb) o arsenico (As).

I dopanti hanno un elettrone di valenza aggiuntivo che, non avendo alcun legame covalente a cui legarsi, è automaticamente libero di muoversi attraverso il reticolo cristallino.

Qui la corrente elettrica circola nel materiale grazie al surplus di elettroni liberi fornito dal drogante. Quindi, i semiconduttori di tipo N sono considerati donatori di elettroni.

caratteristiche

I semiconduttori sono caratterizzati dalla loro doppia funzionalità, efficienza energetica, diversità di applicazioni e basso costo. Le caratteristiche salienti dei semiconduttori sono descritte di seguito.

- La sua risposta (conduttiva o isolante) può variare a seconda della sensibilità dell'elemento all'illuminazione, ai campi elettrici e ai campi magnetici presenti nell'ambiente.

- Se il semiconduttore è sottoposto ad una bassa temperatura, gli elettroni rimarranno uniti nella banda di valenza e, quindi, non sorgeranno elettroni liberi per la circolazione della corrente elettrica.

D'altra parte, se il semiconduttore è esposto ad alte temperature, la vibrazione termica può influenzare la forza dei legami covalenti degli atomi dell'elemento, lasciando elettroni liberi per la conduzione elettrica.

- La conducibilità dei semiconduttori varia a seconda della proporzione di impurità o elementi droganti all'interno di un semiconduttore intrinseco.

Ad esempio, se 10 atomi di boro sono inclusi in un milione di atomi di silicio, quel rapporto aumenta la conducibilità del composto mille volte, rispetto alla conducibilità del silicio puro.

- La conducibilità dei semiconduttori varia in un intervallo compreso tra 1 e 10 ^-6 S.cm ^-1 , a seconda del tipo di elemento chimico utilizzato.

- I semiconduttori compositi o estrinseci possono avere proprietà ottiche ed elettriche notevolmente superiori alle proprietà dei semiconduttori intrinseci, un esempio è l'arseniuro di gallio (GaAs), utilizzato prevalentemente in radiofrequenza e altri usi delle applicazioni optoelettroniche.

applicazioni

I semiconduttori sono ampiamente utilizzati come materia prima nell'assemblaggio di elementi elettronici che fanno parte della nostra vita quotidiana, come i circuiti integrati.

Uno degli elementi principali di un circuito integrato sono i transistor. Questi dispositivi svolgono la funzione di fornire un segnale di uscita (oscillatorio, amplificato o raddrizzato) secondo uno specifico segnale di ingresso.

Inoltre, i semiconduttori sono anche il materiale principale per i diodi utilizzati nei circuiti elettronici per consentire alla corrente elettrica di passare in una sola direzione.

Per la progettazione a diodi, si formano giunzioni semiconduttrici estrinseche di tipo P e N. Alternando elementi donatori di elettroni e elementi portanti, viene attivato un meccanismo di bilanciamento tra le due zone.

Pertanto, gli elettroni e le lacune in entrambe le zone si intersecano e si completano a vicenda dove necessario. Ciò avviene in due modi:

- Si verifica il trasferimento di elettroni dalla zona di tipo N alla zona P. La zona di tipo N ottiene una zona di carica prevalentemente positiva.

- C'è un passaggio di buchi portatori di elettroni dalla zona di tipo P alla zona di tipo N. La zona di tipo P acquisisce una carica prevalentemente negativa.

Infine si forma un campo elettrico che induce la circolazione della corrente in una sola direzione; cioè dalla zona N alla zona P.

Inoltre, l'utilizzo di combinazioni di semiconduttori intrinseci ed estrinseci può produrre dispositivi che svolgono funzioni simili a un tubo a vuoto che contiene centinaia di volte il suo volume.

Questo tipo di applicazione si applica a circuiti integrati come chip di microprocessori che coprono una notevole quantità di energia elettrica.

I semiconduttori sono presenti nei dispositivi elettronici che utilizziamo nella nostra vita quotidiana, come apparecchiature della linea marrone come televisori, lettori video, apparecchiature audio; computer e telefoni cellulari.

Esempi

Il semiconduttore più utilizzato nell'industria elettronica è il silicio (Si). Questo materiale è presente nei dispositivi che compongono i circuiti integrati che fanno parte della nostra vita quotidiana.

Le leghe di silicio germanio (SiGe) sono utilizzate in circuiti integrati ad alta velocità per radar e amplificatori di strumenti elettrici, come le chitarre elettriche.

Un altro esempio di semiconduttore è l'arseniuro di gallio (GaAs), ampiamente utilizzato negli amplificatori di segnale, in particolare per segnali con alto guadagno e basso livello di rumore.

Riferimenti

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Rouse, M. (nd). Semiconduttore. Estratto da: whatis.techtarget.com
Semiconductor (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Londra, Regno Unito. Estratto da: britannica.com
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