I semiconduttori sono sostanze la cui conduttività elettrica si trova tra quella dei buoni conduttori e degli isolanti. I semiconduttori, privi di impurità, sono chiamati semiconduttori intrinseci. Germanio e silicio sono i semiconduttori intrinseci più comunemente usati. Sia il Ge (numero atomico 32) che il silicio (numero atomico 14) appartengono al quarto gruppo della tavola periodica e sono tetravalenti.
Quali sono le caratteristiche dei semiconduttori?
A temperature prossime allo zero assoluto, Ge e Si puri si comportano come isolanti perfetti. Ma la loro conduttività aumenta con l'aumento della temperatura. Per Ge, l'energia di legame di un elettrone nel legame covalente è 0,7 eV. Se questa energia viene fornita sotto forma di calore, alcuni dei legami si rompono e gli elettroni vengono liberati.
A temperature normali, alcuni degli elettroni vengono liberati dagli atomi del cristallo di Ge o Si e vagano nel cristallo. L'assenza di un elettrone in un luogo precedentemente occupato implica una carica positiva in quel luogo. Si dice che si crei un "buco" nel punto in cui l'elettrone viene liberato. Un buco (vuoto) è equivalente a una carica positiva e ha la tendenza ad accettare un elettrone.
Quando un elettrone salta in una buca, viene prodotta una nuova lacuna nel punto in cui si trovava prima l'elettrone. Il moto degli elettroni in una direzione è equivalente al moto delle lacune nella direzione opposta. Pertanto, nei semiconduttori intrinseci, le lacune e gli elettroni vengono prodotti simultaneamente ed entrambi agiscono come portatori di carica.
I tipi di semiconduttori e i loro usi
Esistono due tipi di semiconduttori estrinseci: di tipo n e di tipo p.
semiconduttore di tipo n: Elementi come l'arsenico (As), l'antimonio (Sb) e il fosforo (P) sono pentavalenti, mentre Ge e Si sono tetravalenti. Se una piccola quantità di antimonio viene aggiunta al cristallo di Ge o Si, come impurezza, allora dei suoi cinque elettroni valenti, quattro formeranno legami covalenti con gli atomi di Ge vicini. Ma il quinto elettrone dell'antimonio diventa quasi libero di muoversi nel cristallo.
Se viene applicata una tensione potenziale al cristallo di Ge drogato, gli elettroni liberi nel Ge drogato si sposteranno verso il terminale positivo e la conduttività aumenta. Poiché gli elettroni liberi caricati negativamente aumentano la conduttività del cristallo di Ge drogato, viene chiamato semiconduttore di tipo n.
semiconduttore di tipo p: Se un'impurezza trivalente come indio, alluminio o boro (avente tre elettroni di valenza) viene aggiunta in un proporzione molto piccola a Ge o Si tetravalente, quindi si formano tre legami covalenti con tre atomi di Ge. Ma il quarto elettrone di valenza di Ge non può formare un legame covalente con l'indio perché non è rimasto nessun elettrone per l'appaiamento.
L'assenza o la deficienza di un elettrone è detta buca. Ogni foro è considerato come una regione di carica positiva in quel punto. Poiché la conduttività del Ge drogato con indio è dovuta a buchi, viene chiamato semiconduttore di tipo p.
Pertanto, il tipo n e il tipo p sono i due tipi di semiconduttori e i loro usi sono spiegati come segue: Un tipo p semiconduttore e un semiconduttore di tipo n sono uniti insieme e l'interfaccia comune è chiamata giunzione p-n diodo.
Un diodo a giunzione p-n viene utilizzato come raddrizzatore nei circuiti elettronici. Un transistor è un dispositivo a semiconduttore a tre terminali, realizzato inserendo una sottile fetta di materiale di tipo n tra due pezzi più grandi di materiale di tipo p o una sottile fetta di semiconduttore di tipo p tra due pezzi più grandi di tipo n semiconduttore. Quindi, ci sono due tipi di transistor: p-n-p e n-p-n. Un transistor viene utilizzato come amplificatore nei circuiti elettronici.
Quali sono i vantaggi dei semiconduttori?
Un confronto tra un diodo a semiconduttore e un vuoto darebbe uno sguardo più vivido sui vantaggi dei semiconduttori.
- A differenza dei diodi sotto vuoto, non ci sono filamenti nei dispositivi a semiconduttore. Quindi, non è necessario alcun riscaldamento per emettere elettroni in un semiconduttore.
- I dispositivi a semiconduttore possono essere azionati immediatamente dopo l'accensione del dispositivo di circuito.
- A differenza dei diodi a vuoto, nessun ronzio viene prodotto dai semiconduttori al momento del funzionamento.
- Rispetto ai tubi a vuoto, i dispositivi a semiconduttore necessitano sempre di una bassa tensione di esercizio.
- Poiché i semiconduttori sono di piccole dimensioni, anche i circuiti che li coinvolgono sono molto compatti.
- A differenza dei tubi a vuoto, i semiconduttori sono resistenti agli urti. Inoltre, sono di dimensioni più ridotte, occupano meno spazio e consumano meno energia.
- Rispetto ai tubi a vuoto, i semiconduttori sono estremamente sensibili alla temperatura e alle radiazioni.
- I semiconduttori sono più economici dei diodi sotto vuoto e hanno una durata illimitata.
- I dispositivi a semiconduttore non necessitano di un vuoto per il funzionamento.
In sintesi, i vantaggi dei dispositivi a semiconduttore superano di gran lunga quelli dei tubi a vuoto. Con l'avvento del materiale semiconduttore, è stato possibile sviluppare piccoli dispositivi elettronici più sofisticati, durevoli e compatibili.
Quali sono le applicazioni dei dispositivi a semiconduttore?
Il dispositivo a semiconduttore più comune è il transistor, utilizzato per fabbricare porte logiche e circuiti digitali. Le applicazioni dei dispositivi a semiconduttore si estendono anche ai circuiti analogici, utilizzati negli oscillatori e negli amplificatori.
I dispositivi a semiconduttore sono utilizzati anche nei circuiti integrati, che operano a tensioni e correnti molto elevate. Le applicazioni dei dispositivi a semiconduttore si vedono anche nella vita quotidiana. Ad esempio, i chip per computer ad alta velocità sono costituiti da semiconduttori. Anche telefoni, apparecchiature mediche e robotica fanno uso di materiali semiconduttori.