Esempio di materiali semiconduttori

In base alla loro capacità di condurre corrente elettrica, i materiali sono suddivisi in tre categorie: conduttori, isolanti e semiconduttori. L'esempio più importante di conduttori sono i metalli, come il rame Cu, l'alluminio Al e l'argento Ag; e degli isolanti i polimeri e il vetro. La terza classe sarà discussa in seguito: i semiconduttori.

Le proprietà elettriche dei semiconduttori sono tra quelle degli isolanti e dei conduttori.Silicio Si e Germanio Ge sono esempi ben noti di semiconduttori che vengono frequentemente utilizzati nella produzione di una varietà di dispositivi elettronici.. Le proprietà elettriche dei semiconduttori possono essere modificate di diversi ordini di grandezza, aggiungendo quantità controllate di atomi estranei ai materiali.

I semiconduttori si comportano come isolanti alle basse temperature, ma se questa aumenta, si comportano come conduttori. Questa dualità di conduttività è dovuta al fatto che gli elettroni di valenza del materiale sono legati in modo lasco ai rispettivi nuclei. atomico, ma non abbastanza, in modo che l'aumento della temperatura permetta loro di lasciare l'atomo per circolare attraverso il reticolo atomico del Materiale. Non appena un elettrone lascia un atomo, lascia un buco al suo posto che può essere riempito da un altro elettrone che stava circolando nel reticolo.

È il caso degli elementi chimici precedentemente citati, Silicio Si e Germanio Ge, che hanno quattro elettroni di valenza al loro ultimo livello. Va notato che, per aggiungere energia al materiale semiconduttore, oltre al trasferimento di calore, può essere applicata la luce.

Per comprendere meglio il comportamento dei materiali semiconduttori verrà utilizzata la Teoria delle Bande.

Teoria delle bande

 Il concetto di Banda di Valencia, che è l'energia accumulata posseduta dagli elettroni di valenza.

Inoltre, questa teoria gestisce la definizione di Banda di conduzione, come l'energia insieme che gli elettroni devono ritirare dai loro atomi. Gli elettroni che si trovano nella banda di conduzione possono circolare attraverso il materiale se è presente una tensione elettrica che li guida tra due punti.

Sulla base delle due Bande, verranno studiati i casi Conduttore, Isolante e Semiconduttore per avere una prospettiva per quest'ultimo.

Per un conduttore, l'energia della banda di Valencia è maggiore di quella degli elettroni della banda di conduzione. In modo tale che le bande si sovrappongano e molti elettroni di Valencia si mettano molto facilmente sulla Conduzione, e quindi, con la possibilità di circolare nel mezzo.

Per un isolante, invece, l'energia della banda di conduzione è molto maggiore dell'energia della banda di Valencia. Qui c'è un divario tra la Banda di Valencia e la Banda di conduzione, per cui gli elettroni di Valencia non possono accedere alla Banda di conduzione che sarà vuota. Ecco perché l'isolante non conduce. Solo ad alte temperature questi materiali possono essere conduttivi.

Nel caso dei Semiconduttori, la Banda di Conduzione è ancora maggiore della Banda di Valencia, ma il divario tra i due è considerevolmente minore, cosicché con un aumento energetico, gli elettroni di Valencia saltano alla banda di conduzione e possono circolare attraverso il mezzo. Quando un elettrone salta dalla banda di Valencia alla banda di conduzione, lascia un uovo nella banda di Valencia, che è anche considerato un portatore di corrente elettrica.

Nei semiconduttori si distinguono due tipi di portatori di corrente elettrica: elettroni caricati negativamente e lacune, caricati positivamente.

Tipi di semiconduttori 

Esistono due classi di semiconduttori in base alla loro purezza. I materiali semiconduttori allo stato puro sono noti come semiconduttori intrinseci; e ci sono semiconduttori estrinseci, che sono puri ma contaminati da impurità in proporzioni minuscole, come una particella su ogni milione.

Questo processo di contaminazione si chiama Doping, che a sua volta si manifesta in due tipologie.

Il primo tipo di doping è il tipo N, in quale il materiale è contaminato con valenza 5 atomi, come il fosforo P, l'arsenico As o l'antimonio Sb. Coinvolgendo il quinto elettrone di valenza nella struttura di atomi tetravalenti, è costretto a vagare attraverso il materiale semiconduttore, senza trovare un sito stabile dove Essere posizionato. L'insieme di questi elettroni erranti è chiamato Majority Electrons.

Il secondo tipo di Doping è il Tipo P, in quale il materiale semiconduttore è contaminato da atomi di valenza 3, come Boro B, Gallio Ga o Indio In. Se questo atomo viene introdotto nel materiale, rimane un buco dove dovrebbe andare un elettrone. Il foro si muove facilmente attraverso la struttura del materiale, come se fosse un portatore di carica positiva. In questo caso, i fori sono vettori maggioritari.

Applicazione dei semiconduttori: Diodo

Il diodo è un componente elettronico che consiste nell'unione di due cristalli semiconduttori estrinseci, uno di tipo N e l'altro di tipo P. Quando uniti, parte degli elettroni di tipo N in eccesso passano al cristallo di tipo P e parte dei fori di tipo P passano al cristallo di tipo N. All'incrocio viene creata una striscia chiamata Zona di Transizione, che ha un campo elettrico che si comporta come un barriera che si oppone al passaggio di più elettroni dalla Zona N alla Zona P e delle lacune dalla Zona P alla Zona n.

Quando un diodo è collegato a una batteria, si verificano due casi diversi: Forward Bias e Reverse Bias.

Nella polarizzazione diretta, il polo positivo è collegato al cristallo P e il polo negativo al cristallo N. Questo rende la zona di transizione molto più stretta, rompendo la barriera e consentendo il libero passaggio della corrente. In questa condizione il Diodo è Conduttivo.

Nella polarizzazione inversa, il polo positivo si collega al cristallo N e il polo negativo al cristallo P. Questo rende la zona di transizione molto più ampia, rinforzando la barriera che impedisce il passaggio della corrente. In questo caso, il diodo è l'isolatore.

Le applicazioni del Diodo sono molteplici. Tuttavia, l'applicazione più popolare è quella che lo utilizza come raddrizzatore. Un Raddrizzatore è un sistema in grado di convertire un segnale di ingresso alternato sinusoidale in un altro che ha lo stesso senso, per convertire successivamente la corrente alternata in corrente continua. Prima di raddrizzare la corrente, viene utilizzato un trasformatore che riduce il valore della tensione.

Esempi di materiali semiconduttori

Per il gruppo in cui sono presenti nella tavola periodica, questi sono alcuni esempi di elementi semiconduttori:

Gruppo IIIA: Boro B, Alluminio Al, Gallio Ga, Indio In.

IVA di gruppo: Silicio Si, Germanio Ge.

Gruppo VA: Fosforo P, Arsenico As, Antimonio Sb.

Gruppo VIA: Zolfo S, Selenio Se, Tellurio Te.