I semiconduttori, nella scienza e tecnologia dei materiali, sono materiali che hanno resistività (intesa come attitudine a opporre resistenza al passaggio delle cariche elettriche) intermedia tra quella dei metalli e degli isolanti. All’opposto di quanto avviene nei conduttori, nei semiconduttori la conduttività aumenta con l’aumentare della temperatura. Sempre nei semiconduttori, la capacità di condurre elettricità può essere aumentata con l’aggiunta di piccole quantità di sostanze estranee (impurità).
Sono esempi di semiconduttori elementi come il silicio (Si), il germanio (Ge), il selenio (Se) quindi composti come l’arseniuro di gallio (GaAs), il fosfuro di indio (InP) e l’antimoniuro di indio (InSb). I semiconduttori sono alla base di tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici a stato solido quali transistor, diodi e diodi a emissione luminosa (LED).
CARATTERISTICHE DEI SEMICONDUTTORI
Il comportamento dei semiconduttori può essere spiegato se si considera la loro struttura atomica. Gli atomi del silicio, per esempio, sono disposti in una configurazione cristallina tale che ciascun atomo è legato a quattro atomi vicini con altrettanti legami covalenti, in cui sono impegnati i suoi quattro elettroni esterni o di valenza. Questi elettroni hanno scarsissima possibilità di muoversi, in quanto fortemente vincolati a ciascun atomo, a differenza di ciò che avviene nei conduttori metallici (il rame per esempio) in cui gli elettroni di legame sono liberi di muoversi nell’intero reticolo cristallino, formando ciò che viene detto “mare di elettroni” in cui sono immersi i nuclei degli atomi (circostanza caratteristica del legame metallico).
Ora, perché sia possibile la conduzione elettronica, occorre che alcuni elettroni acquistino energia sufficiente a passare dai livelli energetici pieni che formano la banda di valenza a livelli energetici vuoti che formano la cosiddetta banda di conduzione. Mentre nei metalli non è necessario alcun salto di energia per passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione, nei semiconduttori, il dislivello (o gap) energetico è elevato e negli isolanti è ancora maggiore.
Questo spiega perché la conduttività elettrica dei semiconduttori aumenta con il calore. Elevando la temperatura, alcuni elettroni acquistano l’energia necessaria per superare il gap tra le due bande e muoversi all’interno del reticolo cristallino se viene applicato un campo elettrico esterno, determinando così un passaggio di corrente elettrica. Quando un elettrone abbandona il legame che lo tiene vincolato nel reticolo, lascia libero un posto nella banda di valenza, provocando una lacuna o “buca” che si comporta a tutti gli effetti come una carica elettrica positiva. In presenza di un campo elettrico esterno, un elettrone di valenza va ad occupare la lacuna, ma così lascia libera una nuova lacuna che viene occupata da un altro elettrone e così via. L’effetto complessivo è una coppia elettrone-buca, per cui nei semiconduttori la conduzione elettrica è dovuta al contributo di elettroni (cariche elettriche negative) e buche (cariche elettriche positive).
Oltre che per effetto termico, l’aumento della conduttività nei semiconduttori può essere conseguito per esposizione a fonti luminose (come nelle celle fotovoltaiche) e, nella pratica, con l’introduzione di quantità molto piccole (nel rapporto di 1 atomo su 10 milioni) di opportune sostanze (impurità), secondo il processo di drogaggio. L’importanza del drogaggio sta nel fatto che dosando opportunamente le impurezze immesse per esempio in cristalli di silicio o germanio e regolando la temperatura, si può ottenere un numero fissato di portatori di carica per unità di volume del semiconduttore (tale numero è sempre molto minore del numero di elettroni di conduzione in un metallo).
Le parole dell’ENERGIA RINNOVABILE e PULITA
#1 – Le celle fotovoltaiche
#3 – L’effetto fotovoltaico
#4 – L’inverter fotovoltaico
#5 – Le caldaie a condensazione