I semiconduttori sono materiali fondamentali per transistor, diodi e celle solari, l’elemento al cuore del pannello fotovoltaico. Qui di seguito vedremo cosa sono i semiconduttori, come funzionano e perché sono così importanti nell’elettronica moderna.

Caratteristiche fisiche dei semiconduttori

Dal punto di vista delle proprietà elettriche, i semiconduttori si posizionano tra i conduttori (come il rame) e gli isolanti (come il vetro).

Mentre i conduttori permettono il libero movimento degli elettroni, gli isolanti impediscono praticamente qualsiasi movimento di cariche.

I semiconduttori, invece, hanno una conducibilità che può essere modulata: non conducono bene come i metalli, ma possono farlo in determinate condizioni, come in presenza di calore o mediante il “doping”, che vedremo in dettaglio.

La chiave del comportamento dei semiconduttori risiede nella struttura della loro banda energetica.

In un semiconduttore, la banda di valenza (dove gli elettroni sono normalmente presenti) e la banda di conduzione (dove possono muoversi liberamente e trasportare corrente) sono separate da un gap. Questo gap è abbastanza piccolo da permettere che gli elettroni possano essere promossi dalla banda di valenza alla banda di conduzione tramite stimoli esterni, come la luce o l’energia termica.

È come se la conduzione in questi materiali fosse “pigra”: si attiva solo sotto determinate condizioni.

L’importanza del silicio

Come abbiamo già visto in questo blog, il silicio è uno dei semiconduttori più comuni e utilizzati. Il suo gap energetico è di circa 1,1 eV, un valore che lo rende perfetto per la maggior parte delle applicazioni elettroniche.

È molto versatile, in più si trova nell’ambiente a costi relativamente bassi.

Per comprendere meglio il funzionamento del silicio, pensiamo a un reticolo cristallino.

Ogni atomo di silicio condivide elettroni con i suoi vicini, formando legami covalenti stabili, che costituiscono a loro volta il suddetto reticolo.

Eppure in determinate condizioni alcuni elettroni possono acquisire abbastanza energia per saltare dalla banda di valenza alla banda di conduzione, lasciando dietro di sé una lacuna.

Tale lacuna, fisicamente parlando, si comporta come una carica positiva. La mobilità di elettroni e lacune consente il flusso di corrente elettrica, e questo è il principio di base che rende i semiconduttori funzionali.

Il concetto del doping come alteratore di conducibilità

Uno degli aspetti più interessanti dei semiconduttori è che la loro conducibilità può essere migliorata attraverso un processo chiamato doping.

Il doping consiste nell’introdurre impurità specifiche all’interno del reticolo cristallino per alterare la densità di portatori di carica (elettroni e lacune).

Sono due i principali tipi di doping:

  • Doping di tipo n: Questo tipo di doping introduce atomi con un numero maggiore di elettroni rispetto al silicio, come il fosforo (che ha cinque elettroni di valenza). L’atomo di fosforo dona un elettrone in più al reticolo, che diventa un portatore di carica libero nella banda di conduzione. Così, il silicio dopato di tipo n ha un eccesso di elettroni rispetto alle lacune, e la corrente è generata principalmente da elettroni.
  • Doping di tipo p: In questo caso, si introducono atomi con un numero inferiore di elettroni di valenza, come il boro (che ha solo tre elettroni di valenza). Questo crea delle lacune nel reticolo, che si comportano come cariche positive libere. Nel silicio dopato di tipo p, la corrente viene principalmente trasportata dalle lacune.

Combinando materiali dopati di tipo n e tipo p, si crea una giunzione p-n, che è la base dei diodi, dei transistor e di molti altri dispositivi elettronici.

La giunzione p-n

Quando un materiale semiconduttore dopato di tipo n entra in contatto con un materiale dopato di tipo p, si forma una giunzione p-n.

Questo punto di contatto è fondamentale per molti dispositivi elettronici, in quanto permette di controllare il flusso di elettroni in modo unidirezionale.

Alla giunzione tra la regione p e la regione n si crea una zona di svuotamento, dove gli elettroni del lato n si combinano con le lacune del lato p, lasciando una regione priva di portatori di carica.

Questo genera un campo elettrico interno che agisce come una barriera per il movimento delle cariche.

Quando si applica una tensione esterna, gli elettroni del lato n possono superare questa barriera e fluire verso il lato p, generando corrente.

Tuttavia, la corrente fluisce solo in una direzione, comportandosi come un interruttore elettronico (questo è peraltro il principio di base del diodo).

Speriamo che questo articolo sia stato utile quantomeno per avvicinarsi all’argomento, e soprattutto per comprendere un elemento che consente gran parte dei nostri svaghi e servizi quotidiani.