Il ruolo dei semiconduttori nell’elettronica moderna è di fondamentale importanza, essi sono utilizzati in una vasta gamma di dispositivi come transistor, diodi, circuiti integrati, celle solari, LED, fotocellule e telefoni satellitari. Risale al 1821 il momento in cui il fisico tedesco Thomas Johann Seebeck fu il primo a notare gli effetti dovuti ai semiconduttori.
I semiconduttori possiedono una conducibilità che si trova a metà strada tra quella dei conduttori e degli isolanti, con la loro conducibilità che varia in base alla temperatura. La teoria delle bande fornisce una spiegazione dettagliata delle proprietà elettriche di questi materiali, distinguendo due principali bande di energia: la banda di valenza e la banda di conduzione.
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La banda di valenza è generata dall’interazione degli orbitali atomici di valenza degli atomi che compongono il materiale, mentre la banda di conduzione è data dagli orbitali atomici con energia più elevata. La presenza di elettroni nelle bande determina le proprietà di conduzione del materiale, con la banda di conduzione tipicamente vuota.
A seconda della posizione relativa degli atomi nel cristallo, le due bande di energia possono essere adiacenti o separate da un gap di energia, che influisce sulla conducibilità del materiale. I conduttori presentano di solito bande sovrapposte, mentre negli isolanti e nei semiconduttori le bande sono separate da un gap di energia, che in questi ultimi è più piccolo rispetto agli isolanti.
I semiconduttori sono suddivisi in semiconduttori intrinseci ed estrinseci. Nei semiconduttori intrinseci, un elettrone che passa dalla banda di valenza a quella di conduzione lascia una lacuna che può essere occupata da un elettrone vicino, creando un buco positivo che contribuisce alla conduzione della corrente. I semiconduttori intrinseci sono puri con un numero uguale di elettroni nella banda di conduzione e di buchi positivi nella banda di valenza.
Il Ruolo delle Impurità nei Semiconduttori
I semiconduttori intrinseci come il silicio e il germanio hanno tutti gli elettroni nella banda di valenza. Quando vengono opportunamente eccitati, alcuni elettroni possono passare alla banda di conduzione. Tuttavia, l’aggiunta di una piccola quantità di impurità altera questo equilibrio, trasformando il semiconduttore in un semiconduttore estrinseco.
Semiconduttore di Tipo n
In un semiconduttore di tipo n, come il germanio dopato con arsenico, fosforo o antimonio, gli impurità introducono elettroni liberi che si muovono nella banda di conduzione. Ciò permette agli elettroni di saltare facilmente dalla banda di valenza alla banda di conduzione, sotto l’azione di un campo elettrico.
Semiconduttore di Tipo p
Invece, in un semiconduttore di tipo p, come il boro, l’alluminio o il gallio, l’aggiunta di impurità crea lacune elettroniche nella banda di valenza. Queste lacune, o buchi positivi, permettono agli elettroni degli atomi circostanti di muoversi per riempire le lacune. In questo caso, si ha un eccesso di portatori di carica positiva, e il semiconduttore è definito di tipo p, con il livello Fermi che si sposta verso il basso.
In entrambi i casi, l’aggiunta di impurità ha un ruolo cruciale nella creazione di semiconduttori con diverse proprietà e comportamenti elettronici. La manipolazione di queste impurità consente di progettare dispositivi elettronici con funzionalità specifiche e su misura per le applicazioni desiderate.
