Elettrotecnica
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Semiconduttori [tipologie e principio di funzionamento]
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Semiconduttori [tipologie e principio di funzionamento]
I semiconduttori sono materiali che presentano proprietà elettriche intermedie fra quelle dei conduttori e quelle degli isolanti. Essi sono alla base di tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici a stato solido quali i transistor, i diodi e circuiti integrati. Fra i materiali semiconduttori più usati si evidenziano: il silicio, il germanio e l’arseniuro di gallio. Tra i principali artefici delle idee che portarono alla comprensione dei processi elettronici nei semiconduttori, occorre ricordare Bloch, Peierls, Wilson, Seitz, Lark-Horowitz, H.A. Bethe, J. Bardeen, W.B. Shockley, W. Kohn e C. Kittel.
Ad ogni modo, l’esistenza di materiali di questo tipo, ossia cattivi isolanti e non buoni conduttori, era già stata scoperta da Alessandro Volta (1745-1827) nei suoi studi sull’elettricità alla fine del Settecento. Volta fece uso di isolanti non perfetti per scaricare più o meno lentamente un conduttore elettrizzato (vedi la Memoria letta alla Royal Society di Londra il 14 marzo 1782, e pubblicata su “Philosophical Transactions” del 1782). Egli introdusse la locuzione “deferenti (conduttori) imperfetti” per tali materiali, e più sovente utilizzò il termine “semicoibenti“.
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Semiconduttori elementari
I semiconduttori elementari sono elementi tetravalenti, ovvero che possiedono nell’orbitale più esterno quattro elettroni, che permettono di formare un legame covalente con gli atomi adiacenti. A bassa temperatura questa struttura non permette agli elettroni di muoversi liberamente e perciò questi elementi si comportano come isolanti; tuttavia a temperature più elevate alcuni legami covalenti si possono spezzare liberando elettroni che contribuiscono ad accrescere la conduzione elettrica. Nel momento in cui l’elettrone abbandona l’atomo si forma un “buco” chiamato lacuna che può attirare un altro elettrone e via dicendo seguendo un effetto a catena.
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Semiconduttori composti
Oltre ai semiconduttori elementari esistono semiconduttori composti, ovvero leghe binarie o ternarie che si comportano come un semiconduttore.
Come già detto è possibile aumentare la conduttività di questi elementi attraverso il drogaggio. Inserendo un elemento pentavalente (ad esempio l’arsenico) si formano dei legami covalenti tra il semiconduttore stesso e l’elemento aggiunto. Tuttavia un elettrone rimane libero di muoversi e diventa un elettrone di conduzione. L’arsenico in questo caso viene chiamato donore e il semiconduttore è detto di “tipo N”.
Se il drogaggio avviene per introduzione di un elemento trivalente (ad esempio l’alluminio) si formeranno tre legami covalenti tra gli elettroni di ogni atomo del semiconduttore e quelli di ogni atomo dell’elemento aggiunto. Tuttavia un elettrone per ogni atomo del semiconduttore rimarrà libero e andrà ad aumentare la conduttività elettrica, lasciando libera una lacuna che tende a catturare un altro elettrone dagli atomi vicini del semiconduttore e via dicendo. In questo caso l’alluminio è chiamato accettore ed il semiconduttore è denominato di “tipo P”.
