semiconduttori

Fisico

2022

Spieghiamo cos'è un semiconduttore elettrico, i suoi tipi, applicazioni ed esempi. Inoltre, materiali conduttivi e isolanti.

Il semiconduttore più utilizzato è il silicio.

Cos'è un semiconduttore?

I semiconduttori sono materiali in grado di agire come conduttori elettrici o come isolanti elettrici, a seconda delle condizioni fisiche in cui si trovano. Queste condizioni di solito comportano temperatura e il Pressione, l'incidenza delle radiazioni o l'intensità del campo elettrico o campo magnetico cui il materiale è sottoposto.

I semiconduttori sono costituiti da elementi chimici molto variegate tra loro, che infatti provengono da regioni diverse dal Tavola periodica, ma condividono alcuni tratti chimici (generalmente sono tetravalenti), che gli conferiscono le loro particolari proprietà elettriche. Attualmente, il semiconduttore più utilizzato è il silicio (Si), in particolare nell'industria elettronica e del informatica.

Insieme ai materiali isolanti, i semiconduttori furono scoperti nel 1727 dal fisico e naturalista inglese Stephen Gray (1666-1736), ma le leggi che ne descrivono i comportamenti e le proprietà furono descritte molto più tardi, nel 1821, dal famoso fisico tedesco Georg Simon. (1789-1854).

Applicazioni dei semiconduttori

I semiconduttori sono particolarmente utili nell'industria elettronica, poiché consentono di pilotare e modulare il corrente elettrica secondo gli schemi necessari. Per questo motivo, è normale che siano abituati a:

  • transistor
  • Circuiti integrati
  • Diodi elettrici
  • Sensori ottici
  • Laser a stato solido
  • Modulatori di azionamento elettrico (come un amplificatore per chitarra elettrica)

Tipi di semiconduttori

I semiconduttori possono essere di due tipi diversi, a seconda della loro risposta all'ambiente fisico in cui si trovano:

Semiconduttori intrinseci

Sono costituiti da un unico tipo di atomi, organizzato in molecole tetraedrico (cioè quattro atomi con valenza 4) e i loro atomi uniti da legami covalenti.

Questa configurazione chimica impedisce movimento libero da elettroni intorno alla molecola, salvo un aumento di temperatura: allora gli elettroni prendono parte alla Energia disponibile e “salta”, lasciando uno spazio libero che si traduce come carica positiva, che a sua volta attirerà nuovi elettroni. Questo processo è chiamato ricombinazione e la quantità di calore richiesto per questo dipende dall'elemento chimico in questione.

Semiconduttori estrinseci

Questi materiali consentono un processo di drogaggio, cioè consentono di includere alcuni tipi di impurità nella loro configurazione atomica. A seconda di queste impurità, che possono essere pentavalenti o trivalenti, i materiali semiconduttori si dividono in due:

  • Semiconduttori estrinseci di tipo N (donatori). In questi tipi di materiali, gli elettroni sono più numerosi delle lacune o portatori di carica libera ("spazi" di carica positiva). Quando viene applicata una differenza di potenziale al materiale, gli elettroni liberi si spostano a sinistra del materiale e le lacune poi a destra. Quando i fori raggiungono l'estrema destra, gli elettroni del circuito esterno entrano nel semiconduttore e si verifica la trasmissione di corrente elettrica.
  • Semiconduttori estrinseci di tipo P (accettori). In questi materiali l'impurità aggiunta, invece di aumentare gli elettroni disponibili, aumenta le lacune, quindi si parla di materiale accettore aggiunto, poiché c'è una richiesta di elettroni maggiore della disponibilità e ogni “spazio” libero dove dovrebbe andare un elettrone serve per facilitare il passaggio della corrente.

Esempi di materiali semiconduttori

I semiconduttori fungono da modulatori della trasmissione elettrica.

I semiconduttori più comuni e utilizzati nel industria sono:

  • Silicio (Si)
  • Germanio (Ge), spesso in leghe silicio
  • Arsenuro di gallio (GaAs)
  • Zolfo
  • Ossigeno
  • Cadmio
  • Selenio
  • indiano
  • Altri materiali chimici risultanti dalla combinazione di elementi dei gruppi 12 e 13 della tavola periodica, con elementi dei gruppi 16 e 15 rispettivamente.

Materiali conduttivi

A differenza dei semiconduttori, le cui proprietà di conduzione elettrica variano, i materiali conduttivi sono sempre pronti a trasmettere la elettricità, a causa della configurazione elettronica dei suoi atomi. Questa conduttività può fluttuare ed essere influenzata in una certa misura dallo stato fisico dell'ambiente poiché il conducibilità elettrica non è assoluto.

Esempi di materiali conduttivi sono la stragrande maggioranza di metalli (ferro, mercurio, rame, alluminio, ecc.) e il Acqua.

Materiali isolanti

Infine, i materiali isolanti sono quelli che resistono alla conduzione dell'elettricità, cioè che impediscono il passaggio di elettroni e sono utili, quindi, per proteggersi dall'elettricità, per impedirle di correre liberamente, o di cortocircuitare. Gli isolanti, inoltre, non isolano al cento per cento in modo efficiente, hanno un limite (tensione di rottura) oltre il quale l'energia è così intensa da non poter mantenere la loro condizione di isolanti e, quindi, trasmettere corrente elettrica, almeno in una certa misura.

Esempi di materiali isolanti sono plastica, ceramica, vetro, legno e carta.

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