I semiconduttori a banda larga, noti con l’acronimo WBG (Wide Band Gap), si caratterizzano per avere band gap energetici superiori a 3.2 eV. Questa peculiarità li distingue dai semiconduttori tradizionali come il silicio e l’arseniuro di gallio, i quali presentano band gap di 1.1 e 1.43 eV rispettivamente. Tali proprietà rendono i semiconduttori a banda larga particolarmente promettenti per applicazioni nei settori dell’elettronica e dell’optoelettronica.
Potenziale e Applicazioni
Indice Articolo
Le eccezionali capacità dei semiconduttori a banda larga hanno dato impulso allo sviluppo di una varietà di dispositivi integrabili in circuiti versatili, migliorando così le prestazioni e le funzionalità. Questi semiconduttori di terza generazione sono in grado di mantenere elevate prestazioni e stabilità anche ad alte frequenze, presentando al contempo caratteristiche come velocità di commutazione rapida, dimensioni ridotte e una rapida dissipazione del calore.
Essi mostrano proprietà elettroniche intermedie tra i materiali semiconduttori e gli isolanti tradizionali, ciò consente loro di operare a tensioni, frequenze e temperature nettamente superiori rispetto ai semiconduttori convenzionali. Il band gap più ampio, abbinato a una minore generazione termica dei portatori di carica, consente il funzionamento a temperature elevate, fino a 300°C e persino 900°C.
Caratteristiche del Band Gap
Il termine semiconduttori a banda larga deriva dall’ampiezza del loro band gap energetico, nettamente più elevato rispetto a quello del silicio convenzionale. Quest’ultimo rappresenta il divario energetico esistente tra la banda di valenza, ricca di elettroni, e la banda di conduzione, ove risiedono gli elettroni liberi.
Secondo la teoria delle bande, elaborata dal fisico svizzero Felix Bloch, la banda di valenza origina dall’interazione degli orbitali atomici di valenza degli atomi che compongono il materiale e può risultare completamente o parzialmente riempita di elettroni. Gli elettroni, nell’auspicio di ricevere energia sufficiente, possono superare il band gap e muoversi verso la banda di conduzione.
La banda di conduzione, quindi, è costituita da elettroni liberi e la sua energia è superiore a quella della banda di valenza. Normalmente, questa banda si presenta vuota, poiché deriva da orbitali atomici non occupati da elettroni.
L’organizzazione degli atomi può determinare se queste bande siano adiacenti o separate dal band gap, influenzando la facilità di passaggio degli elettroni fra le due bande.
Semiconduttori a Banda Larga di Riferimento
Alcuni dei principali esempi di semiconduttori a banda larga includono: carburo di silicio (SiC), nitruro di gallio (GaN), ossido di zinco (ZnO), ossido di indio (In2O3), ossido di gallio (Ga2O3), nitruro di alluminio (AlN) e diamante.
Questi materiali presentano proprietà significative come alta mobilità elettronica, elevata tensione di rottura, elevata conduttività termica, eccellente assorbimento ottico e emissione di luce efficiente. La capacità di operare a temperature elevate è cruciale per applicazioni in ambienti sfidanti, come nel settore aerospaziale e automobilistico.
Le performance dei semiconduttori a banda larga superano quelle del silicio di circa dieci volte in termini di conduzione e velocità di commutazione, rendendoli ideali per l’elettronica di potenza. Questo consente la produzione di dispositivi più compatti, veloci, efficienti e capaci di resistere a tensioni e temperature superiori rispetto ai loro omologhi in silicio.
Grazie a queste proprietà, i semiconduttori a banda larga sono considerati materiali essenziali per applicazioni emergenti come i veicoli elettrici e la gestione dell’energia rinnovabile.
Carburo di Silicio (SiC)
Il carburo di silicio è il semiconduttore a banda larga più noto, caratterizzato da un alto punto di fusione, eccellente resistenza all’ossidazione, alta conduzione termica e resistenza meccanica. Questo materiale trova applicazione in diversi settori, tra cui strutture aerospaziali e biomateriali.
Una delle sue proprietà distintive è la notevole mobilità degli elettroni, che consente l’uso del SiC in dispositivi ad alta frequenza, incluse le applicazioni radio. Inoltre, il SiC presenta una scarso valore della costante dielettrica, il che implica un minor consumo energetico rispetto ad altri semiconduttori. Con una durezza di circa 9.5 nella scala di Mohs, è tra i materiali più resistenti disponibili.
Le ceramiche al carburo di silicio presentano resistenza a temperature estremamente elevate, fino a 1600°C, il che ne facilita l’uso in elementi riscaldanti per forni elettrici e come componenti nei termistori.
Nitruro di Gallio (GaN)
Il nitruro di gallio ha apportato un cambiamento notevole nel campo dell’illuminazione LED ad alta efficienza energetica. Scoperto dai ricercatori della Cornell University, le sue proprietà sono state pubblicate in una nota condotta nel settembre 2019.
Con una struttura di wurtzite monocristallina, può essere sintetizzato in molte forme, incluse nanoparticelle e nanotubi. Ha dimostrato elevate proprietà meccaniche, termiche e ottiche che variano in base alla dimensione dei nanocristalli, grazie al fenomeno del confinamento quantistico.
Il nitruro di gallio è un materiale promettente nelle tecnologie radiofrequenza e nella conversione di potenza, trovando ampio uso nell’optoelettronica. Tra le sue applicazioni più note vi è il diodo laser viola, utilizzato nei Blu-ray Disc e nelle memorie ottiche per contenuti HD e Ultra HD.
I transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) basati sul nitruro di gallio sono fondamentali in vari settori, dalle comunicazioni all’industria della difesa. Le tecnologie di nitruro di gallio, cresciute su substrati di zaffiro, sono fondamentali per LED e illuminazione a stato solido.
Le nanostrutture di nitruro di gallio, grazie alle loro proprietà ingegnerizzabili, sono utilizzate in diversi dispositivi, da LED e celle solari a biosensori e fotocatalizzatori.
I semiconduttori al nitruro di gallio stanno emergendo come protagonisti nel campo dell’elettronica, grazie alla loro alta velocità e bassa emissione di carbonio, contribuendo in modo significativo nel potenziamento dei server nei data center.
Impiego e Futuro
L’uso dei semiconduttori a banda larga si sta espandendo rapidamente, principalmente nell’era del 5G e dei veicoli elettrici, dove la richiesta di elaborazione ad alta frequenza e di ricarica veloce è in aumento. Questi materiali sono impiegati in dispositivi di memoria avanzati che offrono velocità di lettura e scrittura superiori rispetto ai materiali tradizionali, consentendo una maggiore durata e un ridotto consumo energetico.
I semiconduttori a banda larga stanno migliorando la sensibilità dei sensori e l’efficienza energetica dei convertitori di potenza, degli inverter e dei motori. Nel settore delle telecomunicazioni, il loro funzionamento ad alta frequenza ha permesso l’ottimizzazione della gestione dell’energia.
In ambito optoelettronico, trovano applicazione in sistemi di imaging ad alta risoluzione per vari settori, tra cui quello scientifico e medico. I fotodetector a banda larga offrono soluzioni affidabili e accurate per il monitoraggio ambientale e industriale. Allo stesso modo, i dispositivi di visualizzazione traggono vantaggio dalle capacità di questi semiconduttori, permettendo miglioramenti in termini di risoluzione e consumo energetico.
Detto ciò, nonostante le evidenti performance superiori dei semiconduttori a banda larga, è importante notare che le loro soglie tecniche sono più elevate, e non tutte le applicazioni elettroniche richiederanno prestazioni di questo tipo. Pertanto, è prevedibile che i semiconduttori tradizionali continueranno a coexistire con quelli a banda larga nel prossimo futuro.
