Dispositivo a semiconduttore, componente del circuito elettronico realizzato con un materiale che non è né un buon conduttore né un buon isolante (quindi semiconduttore). Tali dispositivi hanno trovato ampie applicazioni a causa della loro compattezza, affidabilità e basso costo. Come componenti discreti, hanno trovato impiego in dispositivi di alimentazione, sensori ottici ed emettitori di luce, compresi i laser a stato solido. Hanno una vasta gamma di capacità di gestione di corrente e tensione, con valori nominali di corrente di alcuni nanoamperes (10 −9ampere) a oltre 5.000 ampere e valori di tensione che si estendono oltre i 100.000 volt. Ancora più importante, i dispositivi a semiconduttore si prestano all'integrazione in circuiti microelettronici complessi ma facilmente fabbricabili. Sono e saranno nel prossimo futuro gli elementi chiave per la maggior parte dei sistemi elettronici, comprese le apparecchiature di comunicazione, di consumo, di elaborazione dati e di controllo industriale.
Principi dei semiconduttori e delle giunzioni
Materiali semiconduttori
I materiali a stato solido sono comunemente raggruppati in tre classi: isolanti, semiconduttori e conduttori. (A basse temperature alcuni conduttori, semiconduttori e isolanti possono diventare superconduttori.) La Figura 1 mostra le conduttività σ (e le resistività corrispondenti ρ = 1 / σ) che sono associate ad alcuni materiali importanti in ciascuna delle tre classi. Isolatori, come quarzo fuso e vetro, sono molto basse conducibilità, dell'ordine di 10 -18 a 10 -10 Siemens per centimetro; e conduttori, come l'alluminio, hanno conduttività elevate, in genere da 10 4 a 10 6 siemens per centimetro. Le conduttività dei semiconduttori sono tra questi estremi.
La conduttività di un semiconduttore è generalmente sensibile a temperatura, illuminazione, campi magnetici e minuscole quantità di atomi di impurità. Ad esempio, l'aggiunta di meno dello 0,01 percento di un particolare tipo di impurità può aumentare la conduttività elettrica di un semiconduttore di quattro o più ordini di grandezza (cioè 10.000 volte). Gli intervalli di conduttività dei semiconduttori dovuti agli atomi di impurità per cinque semiconduttori comuni sono indicati nella Figura 1.
Lo studio dei materiali semiconduttori iniziò all'inizio del XIX secolo. Nel corso degli anni sono stati studiati molti semiconduttori. La tabella mostra una parte della tavola periodica relativa ai semiconduttori. I semiconduttori elementari sono quelli composti da singole specie di atomi, come silicio (Si), germanio (Ge) e stagno grigio (Sn) nella colonna IV e selenio (Se) e tellurio (Te) nella colonna VI. Vi sono, tuttavia, numerosi semiconduttori composti composti da due o più elementi. L'arsenuro di gallio (GaAs), ad esempio, è un composto binario III-V, che è una combinazione di gallio (Ga) dalla colonna III e arsenico (As) dalla colonna V.
Porzione della tavola periodica degli elementi relativi ai semiconduttori
| periodo | colonna | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | III | IV | V | VI | |
| 2 | boro
B |
carbonio
C |
azoto
N |
||
| 3 | magnesio
Mg |
alluminio
Al |
silicio
Si |
fosforo
P |
zolfo
S |
| 4 | zinco
Zn |
Gallio
Ga |
germanio
Ge |
arsenico
As |
selenio
Se |
| 5 | cadmio
Cd |
indio
In |
latta
Sn |
antimonio
Sb |
tellurio
Te |
| 6 | mercurio
Hg |
piombo
Pb |
|||
I composti ternari possono essere formati da elementi provenienti da tre diverse colonne, come, ad esempio, tellururo di indio mercurio (HgIn 2 Te 4), un composto II-III-VI. Possono anche essere formati da elementi di due colonne, come l'arseniuro di gallio di alluminio (Al x Ga 1 - x As), che è un composto ternario III-V, dove sia Al che Ga provengono dalla colonna III e il pedice x è correlato alla composizione dei due elementi dal 100 percento Al (x = 1) al 100 percento Ga (x = 0). Il silicio puro è il materiale più importante per l'applicazione del circuito integrato e i composti binari e ternari III-V sono più significativi per l'emissione di luce.
Prima dell'invenzione del transistor bipolare nel 1947, i semiconduttori erano usati solo come dispositivi a due terminali, come raddrizzatori e fotodiodi. All'inizio degli anni '50, il germanio era il principale materiale semiconduttore. Tuttavia, si è rivelato inadatto per molte applicazioni, poiché i dispositivi realizzati con il materiale presentavano elevate correnti di dispersione a temperature solo moderatamente elevate. Dall'inizio degli anni '60, il silicio è diventato un sostituto pratico, soppiantando virtualmente il germanio come materiale per la fabbricazione di semiconduttori. Le ragioni principali di ciò sono duplici: (1) i dispositivi al silicio mostrano correnti di dispersione molto più basse e (2) il biossido di silicio di alta qualità (SiO 2), che è un isolante, è facile da produrre. La tecnologia al silicio è oggi di gran lunga la più avanzata tra tutte le tecnologie a semiconduttore e i dispositivi a base di silicio costituiscono oltre il 95 percento di tutto l'hardware dei semiconduttori venduto in tutto il mondo.
Molti dei semiconduttori composti hanno proprietà elettriche e ottiche assenti nel silicio. Questi semiconduttori, in particolare l'arseniuro di gallio, sono utilizzati principalmente per applicazioni ad alta velocità e optoelettroniche.
