Quali sono i diversi tipi di materiale semiconduttore?
I semiconduttori sono componenti essenziali dei moderni dispositivi elettronici e quindi sono uno dei mattoni fondamentali della tecnologia moderna. Per essere adatta come materiale semiconduttore, una sostanza deve avere una conduttività elettrica compresa tra quella degli isolanti, che conducono pochissima elettricità, e i conduttori, che consentono al flusso di elettricità di scorrere molto facilmente. La maggior parte dei materiali semiconduttori sono solidi inorganici cristallini, sebbene esistano anche semiconduttori costituiti da solidi e liquidi amorfi. I materiali semiconduttori comuni includono silicio, arsenuro di gallio e nitruro di gallio, sebbene ne esistano anche altri. Oltre a questi materiali primari, i semiconduttori contengono spesso anche piccole quantità di altre sostanze, note come droganti.
La conduttività di un materiale semiconduttore può essere aumentata sottoponendola a energia elettrica, campi magnetici o altri stimoli che aumentano i livelli di energia degli elettroni del materiale, facendo sì che alcuni di essi si spostino dalla banda di valenza a bassa energia a quella ad alta energia, meno banda di conduzione affollata. Ciò consente agli elettroni energizzati di spostarsi più liberamente attraverso il materiale creando spazi vuoti caricati positivamente nella banda di valenza chiamata fori di elettroni. Ciò consente all'elettricità di fluire attraverso il semiconduttore. Manipolando la conduttività di un semiconduttore, può essere utilizzato come interruttore. I semiconduttori vengono anche utilizzati per la generazione di energia solare e sensori di rilevamento della luce, poiché possono produrre un flusso di corrente elettrica se adeguatamente alimentati dai fotoni di luce in arrivo.
Il materiale semiconduttore più comunemente usato è il silicio, il 14 ° elemento nella tavola periodica e uno degli elementi più comuni nella crosta terrestre. La maggior parte dei semiconduttori al silicio ha una struttura cristallina regolare in cui sono disposti i loro atomi, ma può anche essere usato silicio non cristallino o amorfo. I semiconduttori al silicio amorfo hanno prestazioni inferiori rispetto al silicio cristallino, ma il silicio amorfo può essere depositato in strati molto più sottili, il che può ridurre il costo del materiale.
Il successivo materiale semiconduttore più comune è l'arsenuro di gallio composto (GaAs). L'arsenuro di gallio è superiore al silicio per diversi aspetti, come una commutazione più rapida e una maggiore resistenza al calore. È anche più costoso e più difficile da elaborare, tuttavia, e di solito viene utilizzato solo per applicazioni in cui il silicio è inadeguato. Soffre anche di un maggiore consumo di energia. L'arseniuro di gallio è comunemente usato per scopi come l'elettronica ad alta velocità e le celle fotovoltaiche ad alta efficienza.
Un altro composto di gallio utilizzato per i semiconduttori è il nitruro di gallio (GaN), che può funzionare a temperature e tensioni molto elevate e quindi viene spesso utilizzato per applicazioni che coinvolgono le microonde. Il nitruro di gallio viene utilizzato anche nei diodi a emissione di luce (LED) e nei diodi laser ad alta frequenza, nonché in alcuni radar militari. Può anche essere combinato con un altro materiale semiconduttore, il nitruro di indio (InN), per produrre una miscela chiamata nitruro di gallio indio. Il nitruro di gallio indio è comunemente usato nei LED e può anche essere un materiale estremamente efficiente per le celle solari.
I semiconduttori contengono spesso piccole quantità di droganti per alterare le loro proprietà conduttive in base alla loro funzione. I droganti comuni nel silicio includono gli elementi boro, fosforo e arsenico. L'arsenuro di gallio e il nitruro di gallio drogati con metalli come il manganese hanno proprietà sia semiconduttive che ferromagnetiche.