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] (per i valori dei materiali conduttori si veda l’articolo sulla resistenza e resistività elettrica). 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.
Bande di energia e band gap
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 ≈ 0,5 ÷ 3,5 [eV]
- Materiali isolanti: Eg > 5 [eV] circa (es. diamante ≈ 5,5 eV, SiO2 ≈ 9 eV)
Valori tipici di band gap a temperatura ambiente per i semiconduttori più comuni:
| Materiale | Eg [eV] | Note |
|---|---|---|
| Germanio (Ge) | 0,66 | primi transistor e diodi |
| Silicio (Si) | 1,12 | la maggior parte dei dispositivi |
| Arseniuro di gallio (GaAs) | 1,42 | LED, dispositivi ad alta frequenza |
| Carburo di silicio (SiC, 4H) | 3,26 | wide bandgap, elettronica di potenza |
| Nitruro di gallio (GaN) | 3,4 | wide bandgap, LED blu e alimentatori |
Nel campo dell’elettronica i semiconduttori modificati e quindi drogati a livello chimico si distinguono in due tipologie: semiconduttori P e semiconduttori N.
Semiconduttori di tipo 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, nella rappresentazione semplificata del modello di Bohr usata qui a scopo didattico, ruotano attorno al nucleo su orbite definite. 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.
L’atomo trivalente, detto accettore, cattura un elettrone dai legami vicini e diventa uno ione negativo fisso, mentre la lacuna si sposta nel reticolo comportandosi come una carica positiva mobile. Nel semiconduttore di tipo P le lacune sono quindi i portatori maggioritari e gli elettroni i portatori minoritari; il materiale nel suo complesso resta elettricamente neutro.
Semiconduttori di tipo 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 il reticolo di atomi di silicio visto in precedenza, con gli atomi associati tra loro attraverso legami formati da coppie di elettroni.
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) o il fosforo (P), quattro dei suoi elettroni completano i legami covalenti con gli atomi di silicio vicini, mentre il quinto elettrone resta debolmente legato (bastano circa 0,05 eV) e diventa facilmente un elettrone di conduzione libero.
L’atomo pentavalente, detto donatore, cedendo l’elettrone diventa uno ione positivo fisso nel reticolo. Nel semiconduttore di tipo N gli elettroni sono quindi i portatori maggioritari e le lacune i portatori minoritari; anche in questo caso il materiale resta complessivamente neutro.
Dalla giunzione PN al diodo
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, descritto nell’articolo Il Diodo: caratteristiche (introduzione).
