Semiconduttore

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Introduzione

Semiconduttore Categoria di materiali presenti in natura allo stato solido cristallino, la cui capacità di conduzione dell’elettricità, a temperatura ambiente, è intermedia tra quella degli isolanti e quella dei conduttori.

La conducibilità elettrica, cioè la capacità di un corpo di lasciarsi attraversare da corrente, è una delle proprietà della materia che assume il più ampio range di valori in natura. Alcuni metalli, quali il rame, l’argento e l’alluminio, sono eccellenti conduttori; altri materiali, come il diamante e il vetro, sono isolanti pressoché perfetti.

A temperature molto basse, i semiconduttori puri si comportano come isolanti, ma la loro conducibilità può crescere drasticamente per effetto di un aumento della temperatura, di un’esposizione alla luce o di un trattamento che prevede l’aggiunta di piccole percentuali di altre sostanze (drogaggio). La fisica dello stato solido studia le proprietà di questi materiali.

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La conduzione: elettroni e lacune

Tra i semiconduttori comuni si trovano alcuni elementi puri, quali il silicio, il germanio e il selenio, e alcuni composti, quali l’arseniuro di gallio, il seleniuro di zinco e il tellururo di piombo. Le loro proprietà si devono alla particolare configurazione elettronica che li caratterizza: se sottoposti a specifici trattamenti, il numero di portatori di carica a loro disposizione aumenta sensibilmente, e in proporzione la loro conducibilità.

I trattamenti in questione possono essere l’incremento della temperatura, l’irraggiamento o l’aggiunta di impurità. In un semiconduttore puro, o intrinseco, come un cristallo di silicio, gli elettroni di valenza (gli elettroni che occupano le orbite più esterne di un atomo) sono condivisi a due a due con altri atomi adiacenti, per formare i legami covalenti che uniscono gli atomi dando consistenza al cristallo.

In condizioni ordinarie, gli elettroni di valenza sono vincolati ai nuclei degli atomi e occupano posizioni fisse all’interno del solido; tuttavia, l’energia termica e la luce possono rompere i legami chimici, liberando elettroni di conduzione. Nella posizione lasciata libera (lacuna) da uno di questi elettroni, rimane un eccesso di carica positiva, che viene subito compensato dallo spostamento di uno degli elettroni di valenza degli atomi adiacenti. L’eccesso di carica positiva si trasferisce così a un atomo vicino; l’effetto equivale allo spostamento della lacuna, cioè di una carica positiva. In sostanza, la rottura di un legame covalente genera due portatori di carica liberi: un elettrone e una lacuna. Ciò giustifica l’aumento di conducibilità del materiale per irraggiamento o per riscaldamento. L’energia necessaria per liberare un elettrone da un legame covalente è detta gap di energia.

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Il drogaggio

Un altro metodo per creare cariche libere in un cristallo semiconduttore è il drogaggio: si tratta di un trattamento che consiste nell’inserimento di piccolissime percentuali di materiali (impurità o droganti) dotati di tre o cinque elettroni di valenza (i semiconduttori ne hanno quattro). Ogni atomo di drogante sostituisce, nei legami covalenti, un atomo di semiconduttore. Se il drogante ha cinque elettroni, uno di essi resta libero per la conduzione: il drogante si dice “donatore” o “donore” (dall’inglese donor) e il semiconduttore, così drogato, è detto di tipo n, poiché in esso prevalgono portatori di carica negativi (gli elettroni).

Se il drogante ha solo tre elettroni di valenza, il legame covalente è incompleto e nel reticolo cristallino genera una lacuna: il drogante si dice “accettatore” o “accettore” (dall’inglese acceptor) e il semiconduttore drogato è detto di tipo p, poiché in esso prevalgono portatori di carica positivi (le lacune).

Questo concetto è illustrato dallo schema, che mostra un cristallo di silicio (Si) drogato. I quattro elettroni di valenza di ogni atomo sono rappresentati da punti. Nel cristallo con drogaggio di tipo n alcuni atomi di fosforo (P), che hanno cinque elettroni di valenza, sostituiscono altrettanti atomi di silicio, liberando un elettrone ciascuno. Nel cristallo con drogaggio di tipo p sono inseriti atomi di alluminio (Al), che hanno tre elettroni di valenza; ciascun atomo di Al, a cui manca un elettrone per realizzare un legame covalente completo, costituisce una lacuna. Si ottiene, in ogni caso, un aumento della conducibilità.

Se, in uno stesso cristallo, vengono realizzate una zona p e una zona n adiacenti, si crea una “giunzione p-n”. Le proprietà di questo particolare sistema fisico sono alla base del funzionamento del diodo a semiconduttore, un dispositivo generalmente utilizzato come raddrizzatore nei circuiti a corrente alternata. Esso infatti presenta un’altissima resistenza al passaggio della corrente in una direzione e una resistenza pressoché trascurabile in direzione opposta; applicando una tensione di polarità opportuna, è possibile determinarne il comportamento di conduttore o isolante. Combinazioni di più giunzioni permettono di realizzare i transistor e dispositivi come celle solari e laser a giunzione.

I componenti a semiconduttore vantano innumerevoli applicazioni nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche. La tecnologia dell’integrazione, che permette di realizzare, sfruttando le proprietà delle giunzioni p-n, centinaia di migliaia di componenti sulla superficie di una piccola porzione di cristallo di silicio, ha reso possibile l’attuale grado di miniaturizzazione dei dispositivi elettronici. La realizzazione di nuovi tipi di transistor, detti MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), usati in coppie complementari (con conduzione affidata a semiconduttore di tipo p l’uno e di tipo n l’altro), ha permesso di aumentare ulteriormente l’efficienza di questi circuiti (integrati C-MOS). Vedi anche Circuito integrato; Microprocessore.