I semiconduttori

I semiconduttori sono sostanze che presentano caratteristiche di conduttività elettrica intermedia tra quella dei conduttori e quella degli isolanti. Sono semiconduttori materiali come il silicio, il germanio e composti come l'arseniuro di gallio.

Il comportamento dei semiconduttori può essere spiegato considerando la loro struttura atomica. Gli elettroni esterni dei semiconduttori sono fortemente legati a ciascun atomo e, contrariamente agli elettroni esterni di un conduttore metallico, hanno scarsissima possibilità di muoversi. Perché sia possibile la conduzione elettrica, è necessario che alcuni di questi elettroni acquistino energia sufficiente a passare da livelli energetici che vengono detti banda di valenza (in cui gli elettroni esterni, o di valenza, degli atomi sono legati strettamente agli elettroni di valenza degli atomi vicini) a livelli energetici che costituiscono la cosiddetta banda di conduzione (in cui alcuni elettroni sono liberi di muoversi). Mentre nei metalli non è necessaria in pratica nessuna energia in più per passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione, nei semiconduttori il dislivello energetico è piuttosto alto, e negli isolanti è ancora maggiore (v. fig.).

Questo spiega anche una caratteristica peculiare dei semiconduttori, ovvero la dipendenza della loro conduttività elettrica dalla temperatura: fornendo calore, si fornisce ad alcuni elettroni l'energia necessaria per superare il dislivello tra le due bande ed essere così liberi di muoversi all'interno del materiale, soggetti alle forze elettriche. Quando un elettrone passa dalla banda di valenza alla banda di conduzione, lascia libero un posto, che viene detto lacuna, o buca, e che si comporta a tutti gli effetti come una carica positiva: in presenza di forze elettriche esterne, un elettrone va a occupare una lacuna, formando quindi una nuova lacuna che viene occupata da un nuovo elettrone e così via, dando l'impressione che vi sia un moto delle lacune, uguale e contrario a quello degli elettroni. Per aumentare la conduttività dei semiconduttori si usa introdurre a livello atomico delle quantità molto piccole di sostanze opportune, che vengono dette impurità; questa operazione è definita drogaggio. Dosando opportunamente le impurità all'interno di un semiconduttore e regolando la temperatura, si può ottenere un semiconduttore con un numero fissato di portatori di carica, quindi regolarne molto precisamente la conduttività. Per le loro proprietà elettriche particolari questi materiali vengono largamente impiegati nell'industria elettronica; il silicio, per esempio, è l'elemento base dei chip degli elaboratori elettronici.

Nei metalli non esiste divario energetico tra la banda di valenza e la banda di conduzione, che praticamente coincidono; negli isolanti tale divario (o gap energetico) è 10 volte superiore a quello presente nei semiconduttori.