Cosa sono i semiconduttori e quali sono i campi di applicazione industriali

Alla base dell’evoluzione dell’elettronica troviamo i semiconduttori, materiali di natura cristallina che hanno la caratteristica di condurre elettricità a livelli intermedi rispetto a un materiale conduttore o a un materiale isolante.

A differenza dei metalli, infatti, i semiconduttori mantengono la loro capacità di resistenza all’attraversamento di corrente a temperature ordinarie e comportandosi come conduttori all’aumentare di queste ultime. La resistività di un semiconduttore si calcola in Ohm e solitamente viene rilevata alla temperatura di 20°C. Questo perché, se la temperatura dovesse salire, il materiale perderebbe la sua capacità di “semiconduttività”, diventando un conduttore.

Grazie alla loro resistività i semiconduttori servono in ogni apparato elettronico oggi progettato: nell’elettronica delle auto, nei dispositivi di telecomunicazione, ma anche negli apparecchi per la diffusione del suono.

Per realizzare i semiconduttori in campo elettronico vengono utilizzati diversi tipi di materiali. Alcuni di questi richiedono il “drogaggio” affinché possano comportarsi come semiconduttori. Il drogaggio dei semiconduttori serve a dare resistività al materiale attraversato dalla corrente.

Come si realizza il drogaggio di un semiconduttore?

Vediamo ora come si realizza il drogaggio di un semiconduttore. Il drogaggio si ottiene aggiungendo al livello atomico di un materiale puro delle impurezze che ostacolano il transito della corrente aumentando la resistività. Tra le impurezze più utilizzate nel drogaggio dei semiconduttori troviamo il fosforo, l’arsenico, il gallio.

Sono due i maggiori tipi di drogaggio applicati ai semiconduttori.

Drogaggio con atomi trivalenti (o atomi accettori), che serve per provocare un aumento delle lacune, meglio conosciuto come drogaggio di tipo p. Per il drogaggio si utilizzano atomi di alluminio, boro, gallio o indio.

Drogaggio con atomi pentavalenti (o atomi donatori), che serve per provocare un aumento degli elettroni ed è chiamato drogaggio di tipo n. Per il drogaggio pentavalente si utilizzano atomi di fosforo e antimonio.

Il drogaggio può essere utilizzato anche su materiali isolanti con l’aggiunta di materiali conduttori, allo scopo di aumentare la conduttività per trasformarli in semiconduttori.

Un esempio di semiconduttori drogati lo troviamo nei circuiti integrati logici, comunemente utilizzati nelle applicazioni di progettazione di apparati elettronici.

Quali sono i materiali semiconduttori più usati e quali i più noti

Prima di spiegare quali sono i materiali più usati per fabbricare semiconduttori, cerchiamo di capire cosa sono i materiali semiconduttori.

I materiali semiconduttori presentano caratteristiche di conducibilità intermedia tra i due estremi, rappresentati da una parte dai “buoni conduttori”, come il rame, e dall’altra dai “buoni isolanti”, come il quarzo.

I materiali semiconduttori, quindi, possono essere attraversati dalla corrente, ma in una maniera che ne permetta la gestione del flusso di cariche elettriche che li attraversano.

Tra i materiali di cui possiamo controllare la conducibilità abbiamo:

• Silicio;
• Germanio;
• Arseniuro di gallio;
• Antimonio.

Questi sono i materiali semiconduttori più utilizzati nella tecnologia elettronica, ma è diffuso anche l’uso di leghe, come quelle di antimonio e piombo oppure l’utilizzo di ossido di rame, carburo di silicio e il solfuro di piombo.

Per quanto riguarda i materiali semiconduttori più noti, essi sono sicuramente il silicio (con una resistività ohmica 2,3 10⁹) e il germanio (con una resistività ohmica 6 10³).

Per quanto riguarda i tipi di semiconduttori esistenti è bene differenziarli per categorie, poiché l’evoluzione tecnologica è costante e favorisce la nascita di sempre nuovi semiconduttori per soddisfare i vari campi di impiego.

In linea di principio, quindi, possiamo suddividere i semiconduttori in base alla capacità di condurre corrente. Abbiamo così due categorie principali.

• Semiconduttori a conduttività elettronica, in cui la corrente viene generata dal movimento degli elettroni di valenza per mezzo di una eccitazione termica esterna.
• Semiconduttori a conduttività ionica, dove la corrente viene generata dal movimento degli ioni nel reticolo cristallino.

A sua volta, la categoria dei semiconduttori a conduttività elettronica si suddivide in due sotto categorie.

• Semiconduttori intrinseci: allo zero assoluto (in termini di temperatura) la banda di valenza è piena e la banda di conduzione è vuota.
• Semiconduttori estrinseci: per creare la conducibilità del semiconduttore si effettua un drogaggio tramite l’inserimento di elementi chimici nel reticolo cristallino.

Nelle applicazioni industriali i semiconduttori a conduttività elettronica sono i più utilizzati e commercializzati, mentre i semiconduttori a conduttività ionica lo sono meno, sebbene di recente abbiano trovato applicazione nelle batterie di nuova concezione.

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Dove si trovano i semiconduttori precisamente? In breve possiamo affermare che qualunque apparecchio elettronico contiene semiconduttori. Li troviamo all’interno degli smartphone, nei computer e nelle stampanti, nei macchinari industriali e negli utensili a corrente.

Volendo individuare dei campi di impiego industriali dei semiconduttori, l’elenco qui sotto riportato è un buon punto di partenza.

• Apparati elettronici per l’audio e il video
• Dispositivi per le telecomunicazioni
• Elettronica per la gestione di velivoli aerospaziali
• Industria degli elettrodomestici
• Industria degli strumenti informatici
• Apparati elettromedicali
• Robotica
• Elettronica dei mezzi di trasporto (auto, moto, camion, treni).

In linea generale, è possibile trovare i semiconduttori in qualsiasi dispositivo che contenga componenti elettroniche, compresi i giocattoli.

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