Cos'è un semiconduttore?

Un semiconduttore è un materiale che controlla le correnti elettriche, rendendolo un componente essenziale dell'elettronica più moderna. Sono i chip informatici e i microcontrollori che alimentano smartphone, computer e televisori.

Le proprietà uniche dei semiconduttori li posizionano tra materiali altamente conduttori (come rame o alluminio) e non conduttori (come gomma o vetro). Più comunemente realizzati in silicio, germanio e arseniuro di gallio, gli hardware semiconduttori consentono una corrente a flusso libero o la respingono completamente.

I semiconduttori sono materiali che possono controllare il flusso di elettricità più degli isolanti (non conduttori) ma meno dei conduttori. Sono utilizzati in molti dispositivi elettronici, inclusi computer e smartphone.

"Ogni dispositivo elettronico che si collega a una parete o utilizza una batteria contiene semiconduttori", ha detto a Built In Mike Pienovi, direttore generale delle unità microcontrollore Sitara presso Texas Instruments.

È difficile sopravvalutare l'ubiquità dei semiconduttori: diodi, chip e transistor sono tutti dispositivi realizzati con essi.

"I semiconduttori sono presenti in un'ampia gamma di mercati, tra cui quello industriale, automobilistico, dell'elettronica personale, delle apparecchiature per le comunicazioni e dei sistemi aziendali", ha aggiunto Pienovi. "Questi chip sono una componente cruciale della tecnologia odierna, influenzando quasi ogni aspetto della nostra vita."

Lettura correlataChe cos'è un superconduttore?

La capacità di un semiconduttore di condurre elettricità dipende dal movimento e dall'interazione tra i suoi due portatori di corrente: elettroni liberi e lacune (che rappresentano l'assenza di un elettrone).

“Per capire come funzionano i semiconduttori”, secondo il chimico PhD Andrew Stapleton, che crea contenuti presso Academia Insider, “è necessario conoscere le bande energetiche”.

Stapleton lo spiega così: Nei solidi, gli elettroni occupano livelli energetici che formano bande energetiche. Le due bande energetiche più rilevanti nei semiconduttori sono la banda di valenza (che è piena di elettroni di valenza) e la banda di conduzione (che è in gran parte vacante).

Quando l'energia termica viene applicata al materiale semiconduttore, gli elettroni di valenza si spostano dalla banda di valenza alla banda di conduzione, dove diventano elettroni liberi. Lasciano dei punti vuoti nella banda di valenza, che creano dei buchi.

"Nei non conduttori, queste bande sono molto distanti l'una dall'altra", ha detto Stapleton. "Ma nei semiconduttori, sono abbastanza vicini da far sì che, quando viene applicata una fonte di calore, gli elettroni possano saltare dalla banda di valenza alla banda di conduzione, consentendo il flusso di corrente elettrica."

Determinare l'intensità di tale corrente dipende dalla quantità di tensione applicata, nonché dalle proprietà di un materiale semiconduttore (ne parleremo più avanti). La relazione tra questi fattori è descritta dalla Legge di Ohm, la quale stabilisce che una corrente elettrica è direttamente proporzionale alla tensione applicata ma inversamente proporzionale alla resistenza di un materiale.

La resistenza, tuttavia, può essere manipolata per controllare meglio il flusso delle correnti elettriche. In un processo noto come drogaggio, il numero di portatori di corrente può essere aumentato aggiungendo impurità a un materiale. Aumentando il numero di elettroni o lacune liberi, si crea una maggioranza tra i portatori di corrente, il che si traduce in una maggiore conduttività.

Letture correlate24 aziende di semiconduttori che dovresti conoscere

I semiconduttori intrinseci sono materiali puri, ovvero silicio e germanio, che hanno una naturale capacità di condurre elettricità quando sono a contatto con un elemento riscaldante. Tuttavia, questi materiali non drogati non conducono molto bene la corrente elettrica.

Nei semiconduttori intrinseci il numero di elettroni liberi nella banda di conduzione sarà sempre uguale al numero di lacune nella banda di valenza. Questa bassa concentrazione di portatori di corrente – elettroni liberi e lacune – si traduce in una scarsa conduttività a temperatura ambiente. Il miglioramento della loro conduttanza dipende fortemente da una fonte di energia termica esterna, come la tensione.