L’arseniuro di boro emerge come un semiconduttore di grande rilevanza grazie alla sua eccezionale conduzione termica, che raggiunge circa 1300 W m^–1 K^–1. Tale capacità di trasmettere calore è comparabile a quella del silicio e supera quella della maggior parte dei metalli e semiconduttori comunemente utilizzati. Ciò lo rende un candidato promettente per lo sviluppo di componenti elettronici ad alte prestazioni, sfruttando la sua conduttività termica come indicatore della quantità di calore trasferibile lungo un materiale per ogni differenza di temperatura di 1 grado Kelvin.

Struttura chimica e scoperta

Classificato come semiconduttore III-V, l’arseniuro di boro è composto da elementi che appartengono ai gruppi III e V della tavola periodica. Questa terminologia si basa su una classificazione più vecchia, in cui il Gruppo 3 (oggi Gruppo 13) e il Gruppo V sono indicati rispettivamente con queste dizioni.

L’avvio della ricerca sull’arseniuro di boro risale agli anni ’50, quando scienziati dell’Istituto Ioffe iniziarono a studiarne le proprietà fondamentali. Nonostante la sua struttura sia conosciuta dagli anni ’60, i recenti progressi nelle tecniche di sintesi hanno consentito la produzione di campioni di alta qualità, promettendo applicazioni in vari settori, dall’elettronica di potenza fino ai dispositivi optoelettronici.

Caratteristiche fisiche e chimiche

L’arseniuro di boro presenta un reticolo cristallino con una struttura cubica a facce centrate, nota come blenda di zinco, simile a quella di altri semiconduttori come l’arseniuro di gallio. Gli atomi di boro e arsenico formano legami covalenti, con una costante reticolare di 4.78 Å. Possiede inoltre un band gap di 1.82 eV, un indice di rifrazione ottico di 3.29 a temperatura ambiente e alla lunghezza d’onda di 657 nm, oltre a un modulo elastico di 326 GPa, il quale risulta essere doppio rispetto a quello del silicio. La sua temperatura di fusione si attesta sui 2076 °C, consentendo stabilità termica e chimica.

La connotazione di semiconduttore termo-elettricamente stabile si traduce in una conduttività termica che supera di oltre tre volte quella di materiali tradizionali come rame e carburo di silicio. Inoltre, l’arseniuro di boro si distingue per la sua elevata mobilità ambipolare di 1600 cm² V^–1 s^–1, mostrando un comportamento diverso rispetto ad altri semiconduttori che presentano una mobilità degli elettroni buona ma limitata per le lacune.

Secondo le previsioni, l’arseniuro di boro potrebbe raggiungere una conduzione termica teorica di 2200 W m^–1 K^–1,un risultato senza precedenti per composti di questo tipo. Tuttavia, per ottenere tali valori estremi, è fondamentale utilizzare materiali di alta qualità, poiché difetti e impurità possono compromettere le capacità termiche.

Sintesi e applicazioni

Il primo esempio di sintesi dell’arseniuro di boro cubico risale al 2015, realizzato da scienziati della University of Houston. L’arseniuro di boro viene preparato attraverso un processo che prevede il contatto tra boro elementare e vapore di arsenico a temperature comprese tra 700 °C e 900 °C. La preparazione avviene utilizzando polveri pure di boro e arsenico, macinate e introdotte in un tubo di quarzo, sottoposto a vuoto per garantire un ambiente controllato.

L’arseniuro di boro offre possibilità promettenti nella gestione termica. La sua capacità di dissipare calore lo rende ideale per applicazioni dove l’efficienza e l’affidabilità dei dispositivi elettronici sono cruciali, come nei computer e nelle automobili. In aggiunta, potrebbe essere impiegato nei chip, fungendo da substrato per condurre elettricità e dissipare calore, affrontando così le sfide dei moderni sistemi elettronici e della miniaturizzazione.

Inoltre, l’arseniuro di boro trova impiego nelle celle solari, nell’elettronica spaziale e nei circuiti resistenti alle radiazioni, dimostrando la sua versatilità e valore nel settore tecnologico avanzato.

Fonte Verificata

I semiconduttori intrinseci sono materiali puri che non sono soggetti a drogaggio intenzionale. Essi consistono generalmente da un unico tipo di atomo, come il silicio o il germanio. Gli atomi presenti nei semiconduttori intrinseci possiedono quattro elettroni nella loro orbita esterna, i quali sono condivisi con gli atomi vicini, formando quattro legami covalenti. Questo consente a ogni atomo di conseguire una stabilità assoluta con otto elettroni nel suo guscio più esterno.

Caratteristiche e Comportamento

A temperatura ambiente, la quantità di portatori di carica eccitati termicamente nei semiconduttori puri è piuttosto esigua. In condizioni normali, gli elettroni e le lacune libere sono presenti in quantità equivalenti. spesso, la concentrazione di portatori di carica è inferiore di diversi ordini di grandezza rispetto a un conduttore metallico.

Un esempio significativo è il silicio, il quale presenta un numero di elettroni eccitati termicamente pari a 1.5 · 10¹⁰ per centimetro cubico a 298 K, mentre l’arseniuro di gallio registra solo 1.1 · 10⁶ elettroni per centimetro cubico. Questi dati sono impressivi se confrontati con la densità di elettroni liberi tipica di un metallo, che si aggira attorno a 10²⁸ elettroni per centimetro cubico.

Alla luce di tali dati, non sorprende che il silicio e altri semiconduttori presentino elevata resistività elettrica e limitata conduttività quando sono estremamente puri. Tuttavia, è possibile migliorare questa situazione attraverso il drogaggio con impurità. Piccole percentuali di atomi di impurità, anche solo 0.0001%, possono provocare notevoli variazioni nella conduttività del semiconduttore.

Il Ruolo del Gap di Banda

Nei semiconduttori intrinseci, il gap energetico Eg separa la banda di valenza dalla banda di conduzione e determina l’energia minima necessaria affinché gli elettroni possano transitare da una banda all’altra. Questo gap di banda consente l’interazione energetica fondamentale che caratterizza il comportamento elettrico del materiale. Nei semiconduttori intrinseci, il gap tende ad essere relativamente piccolo, permettendo così agli elettroni di muoversi facilmente dalla banda di valenza a quella di conduzione in seguito a stimoli termici o applicazioni di energia esterna.

In condizioni di zero assoluto, questi materiali si comportano come isolanti, poiché la banda di valenza è completamente riempita e la banda di conduzione è vuota. Con l’aumento delle temperature, gli elettroni acquisiranno energia termica sufficiente per superare il band gap, generando coppie di elettroni-lacuna. Questo trasferimento di portatori di carica consente la formazione di un flusso di corrente attraverso il materiale. Nella situazione ideale di semiconduttori intrinseci, la concentrazione di elettroni nella banda di conduzione coincide con quella delle lacune nella banda di valenza.

La concentrazione intrinseca dei portatori, che rappresenta il numero di elettroni nella banda di conduzione e il numero di lacune nella banda di valenza, è fortemente influenzata dal gap di banda e dalla temperatura del materiale. Essa è calcolata mediante apposita equazione.

Variabile chiave in questo contesto è la temperatura; all’aumentare di essa, vi è un incremento esponenziale della concentrazione intrinseca dei portatori, grazie alla maggiore disponibilità di elettroni capaci di superare il band gap. Inoltre, il livello di Fermi nei semiconduttori intrinseci si trova solitamente in posizione intermedia rispetto ai bordi delle bande di conduzione e di valenza, ma la sua localizzazione esatta è influenzata dalla densità degli stati nelle diverse bande.

Infine, i semiconduttori intrinseci possono essere modificati electricamente attraverso processi di drogaggio, inserendo impurità nel reticolo cristallino, da cui si origina un incremento della conduttività e una variazione significativa del comportamento elettrico.

Fonte Verificata