Con il termine semiconduttore andiamo ad intendere tutti quei materiali che possiedono un valore di resistività ρ compresa tra 10-5 e 107 [Ω⋅m]. Tali materiali possiedono quindi caratteristiche intermedie tra i materiali conduttori e i materiali isolanti. L’intera evoluzione del campo dell’elettronica degli ultimi 50 anni è dovuta proprio a tali materiali che hanno permesso invenzioni quali diodi, transistor, circuiti integrati ecc.
I materiali semiconduttori vengono modificati a livello chimico con delle impurità al fine di modificare le proprietà elettriche del composto finale. Questa procedura chimica viene anche definita “drogare il semiconduttore” e i parametri sui quali si lavora sono tipicamente resistenza, mobilità e concentrazione dei portatori di carica. I portatori di carica nei semiconduttori sono intesi gli elettroni e le lacune.
Se noi prendiamo in esame un materiale qualsiasi osserveremo due bande, definite banda di valenza e banda di conduzione. Gli elettroni dovranno passare dalla banda di valenza a quella di conduzione. Il salto che gli elettroni dovranno compiere potrà esser più o meno ampio a seconda se il materiale è isolante, semiconduttore o conduttore. Gli isolanti presentano un salto (band gap) notevole tra le due bande, i semiconduttori presentano una band gap relativamente più piccola e i conduttori una band gap tendenzialmente quasi trascurabile.
Gli elettroni, per compiere tale gap necessitano di una energia definita energy gap Eg e si misura in elettronvolt [eV]. Ecco quindi che i materiali possono esser classificati sia per la loro resistività ma anche per l’energy gap spesa dagli elettroni per passare dalla banda di valenza a quella di conduzione.
- Materiali conduttori: Eg = 0 [eV]
- Materiali semiconduttori: Eg = 1 ÷ 3 [eV]
- Materiali conduttori: Eg = 8 ÷ 10 [eV]
Nel campo dell’elettronica i semiconduttori modificati e quindi drogati a livello chimico si distinguono in due tipologie: semiconduttori P e semiconduttori N.
Semiconduttori P
Spieghiamo i semiconduttori di tipo P con un esempio pratico: prendiamo in esame gli atomi di silicio (Si nella tavola periodica). L’atomo è composto da un nucleo, formato da protoni (cariche positive) e neutroni (cariche neutre), e dagli elettroni (cariche negative) che ruotano attorno al nucleo seguendo degli orbitali di forma ellittica. Prendendo in esame il modello atomico di Bohr del silicio notiamo come vi siano 4 elettroni di valenza nell’orbitale più esterno.
Se noi prendiamo quindi un reticolo di atomi di silicio, correttamente associati tra loro si verranno a formare dei legami formati da coppie di elettroni come riportato di seguito:
Se noi a questo punto andassimo a sostituire l’atomo centrale di silicio con un atomo di un elemento avente 3 elettroni di valenza, ad esempio l’alluminio, avremo un legame incompleto, nel quale verrà a formarsi una lacuna.
Semiconduttori N
Spieghiamo anche i semiconduttori di tipo N con un esempio pratico: prendiamo nuovamente in esame l’atomo di silicio come atomo di partenza con i suoi 4 elettroni di valenza nell’orbitale più esterno.
Prendiamo quindi nuovamente un reticolo di atomi di silicio, correttamente associati tra loro attraverso legami formati da coppie di elettroni come riportato di seguito:
A questo punto andiamo a sostituire l’atomo centrale di silicio con un atomo di un elemento avente 5 elettroni di valenza, ad esempio l’arsenico (As nella tavola periodica), avremo un legame incompleto, nel quale avremo un elettrone in più libero.
Associando tra loro in modo opportuno semiconduttori di tipo P e semiconduttori di tipo N la tecnologia ha dato vita a componenti indispensabili nell’elettronica di oggi tra cui il diodo, formato banalmente da una giunzione di tipo PN.
