Semiconduttore (semiconduttività)

semiconduttori sono materiali che presentano proprietà elettriche intermedie fra quelle dei conduttori e quelle degli isolanti. Essi sono alla base di tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici a stato solido quali i transistor, i diodi e circuiti integrati. Fra i materiali semiconduttori più usati si evidenziano: il silicio, il germanio e l’arseniuro di gallio. Tra i principali artefici delle idee che portarono alla comprensione dei processi elettronici nei semiconduttori, occorre ricordare Bloch, Peierls, Wilson, Seitz, Lark-Horowitz,  H.A. Bethe, J. Bardeen, W.B. Shockley, W. Kohn e C. Kittel.

Ad ogni modo, l’esistenza di materiali di questo tipo, ossia cattivi isolanti e non buoni conduttori, era già stata scoperta da Alessandro Volta (1745-1827) nei suoi studi sull’elettricità alla fine del Settecento. Volta fece uso di isolanti non perfetti per scaricare più o meno lentamente un conduttore elettrizzato (vedi la Memoria letta alla Royal Society di Londra il 14 marzo 1782, e pubblicata su “Philosophical Transactions” del 1782). Egli introdusse la locuzione “deferenti (conduttori) imperfetti” per tali materiali, e più sovente utilizzò il termine “semicoibenti“.

Semiconduttività

Alcuni elementi come il germanio ed il silicio hanno un comportamento differente a seconda della temperatura, e si comportano come isolanti a temperature molto basse, mentre a temperatura ambiente (circa 20 °C) si comportano come conduttori. Inoltre è possibile aumentare notevolmente la loro conduttività elettrica con il drogaggio, cioè inserendo delle “impurezze” (ad esempio elementi trivalenti o pentavalenti).

La semiconduttività manifesta le seguenti caratteristiche:

  • è associata con un grado limitato di conducibilità elettronica;
  • è intermedia tra la conducibilità metallica, con un elevato numero di elettroni liberi, e il comportamento isolante in cui tutti gli elettroni sono strettamente confinati agli atomi o ai legami tra atomi;
  • si verifica in molti composti dei metalli di transizione, nel Si e nel Ge nonché in alcuni solidi organici (es. antracene);
  • può essere descritto come un processo di salti (hopping), o con la teoria delle bande, a seconda dello specifico materiale;
  • il numero di elettroni che contribuisce alla semiconduttività dipende dalla temperatura e dal livello di impurezze, a differenza dalla conducibilità metallica. L’abilità di drogare i semiconduttori modificando le loro proprietà produce molte applicazioni ed è alla base della moderna industria microelettronica.

Semiconduttori elementari

I semiconduttori elementari sono elementi tetravalenti, ovvero che possiedono nell’orbitale più esterno quattro elettroni, che permettono di formare un legame covalente con gli atomi adiacenti. A bassa temperatura questa struttura non permette agli elettroni di muoversi liberamente e perciò questi elementi si comportano come isolanti; tuttavia a temperature più elevate alcuni legami covalenti si possono spezzare liberando elettroni che contribuiscono ad accrescere la conduzione elettrica. Nel momento in cui l’elettrone abbandona l’atomo si forma un “buco” chiamato lacuna che può attirare un altro elettrone e via dicendo seguendo un effetto a catena.

Semiconduttori composti

Oltre ai semiconduttori elementari esistono semiconduttori composti, ovvero leghe binarie o ternarie che si comportano come un semiconduttore.

Come già detto è possibile aumentare la conduttività di questi elementi attraverso il drogaggio. Inserendo un elemento pentavalente (ad esempio l’arsenico) si formano dei legami covalenti tra il semiconduttore stesso e l’elemento aggiunto. Tuttavia un elettrone rimane libero di muoversi e diventa un elettrone di conduzione. L’arsenico in questo caso viene chiamato donore e il semiconduttore è detto di “tipo N”.

Se il drogaggio avviene per introduzione di un elemento trivalente (ad esempio l’alluminio) si formeranno tre legami covalenti tra gli elettroni di ogni atomo del semiconduttore e quelli di ogni atomo dell’elemento aggiunto. Tuttavia un elettrone per ogni atomo del semiconduttore rimarrà libero e andrà ad aumentare la conduttività elettrica, lasciando libera una lacuna che tende a catturare un altro elettrone dagli atomi vicini del semiconduttore e via dicendo. In questo caso l’alluminio è chiamato accettore ed il semiconduttore è denominato di “tipo P”.

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