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In questo articolo, vedremo un po’ sui dispositivi a semiconduttore in generale, quali sono alcuni tipi comunemente conosciuti di dispositivi a semiconduttore e molti altri aspetti dei semiconduttori.

Introduzione

Negli ultimi 70 anni, i semiconduttori sono diventati un elemento fondamentale nella produzione dell’elettronica. Dall’invenzione del transistor, il mondo dell’elettronica è sempre stato su una curva esponenziale in termini di ricerca, sviluppo, produzione, portando nuovi dispositivi e tecnologie.

I dispositivi elettronici riguardano la gestione delle informazioni, cioè la trasmissione ad alta velocità, l’acquisizione e l’elaborazione nei campi dell’industria e della produzione, delle comunicazioni, delle arti, della medicina e persino della guerra.

Ma tutto questo può essere ricondotto al cuore dell’elettronica moderna e alla sua produzione: Dispositivi a semiconduttore.

Anche se un sistema elettronico è fabbricato con l’aiuto di metalli, isolanti e semiconduttori (più avanti), i semiconduttori sono considerati la spina dorsale dell’elettronica.

Cosa è un semiconduttore?

Prima di entrare nella discussione sui diversi tipi di dispositivi a semiconduttore, è essenziale avere un’idea di cosa sia un semiconduttore.

In parole povere i semiconduttori sono materiali che non sono né conduttori né isolanti. Espandendo un po’ di più su questo, i materiali sono classificati in Conduttori, Isolanti e Semiconduttori in base alla loro capacità di condurre l’elettricità.

I Conduttori sono materiali con un’ottima capacità di trasportare elettricità. Di solito i metalli hanno una buona conducibilità elettrica e puoi trovare rame o alluminio nell’impianto elettrico della tua casa.

Al contrario, gli isolanti sono materiali con una pessima conducibilità elettrica. Il vetro, il legno e la carta sono buoni esempi di isolanti.

Ora parliamo della categoria di materiali importante per la nostra discussione, cioè i semiconduttori. A temperatura ambiente, i semiconduttori sono materiali con una conduttività elettrica inferiore a quella dei conduttori, ma con una conduttività elettrica superiore a quella degli isolanti.

NOTA: Per una comprensione più dettagliata dei semiconduttori, bisogna scavare in profondità nella complicatissima Meccanica Quantistica, che è “certamente” fuori dallo scopo di questa discussione.

Materiali semiconduttori

Parlando in termini di conduttività elettrica con unità di Ω-1 cm-1, i materiali semiconduttori sono quelli con conduttività elettrica tra 10-9 Ω-1 cm-1 e 102 Ω-1 cm-1.

Tradizionalmente, gli elementi del gruppo IV come il silicio (Si) e il germanio (Ge) sono considerati materiali semiconduttori elementari, cioè semiconduttori con solo specie di atomi singoli.

Ci sono altri tipi di materiali semiconduttori che possono essere formati combinando elementi del gruppo III con elementi del gruppo V e sono noti come semiconduttori composti. L’arseniuro di gallio (GaAs) è il materiale semiconduttore più conosciuto in questa categoria e infatti è secondo al silicio come materiale semiconduttore più comunemente usato.

Cosa sono i dispositivi semiconduttori?

In parole semplici, i dispositivi a semiconduttore sono un tipo di componenti elettronici progettati, sviluppati e prodotti sulla base di materiali semiconduttori come il Silicio (Si), il Germanio (Ge) e l’Arsenuro di Gallio (GaAs).

Dal loro uso alla fine degli anni ’40 (o all’inizio degli anni ’50), i semiconduttori sono diventati il materiale principale nella produzione dell’elettronica e delle sue varianti come l’optoelettronica e la termoelettronica.

Prima dell’uso di materiali semiconduttori nei dispositivi elettronici, i tubi a vuoto erano usati per la progettazione di componenti elettronici. La differenza principale tra i tubi a vuoto e i dispositivi a semiconduttore è che nei tubi a vuoto, la conduzione degli elettroni avviene allo stato gassoso, mentre nel caso del dispositivo a semiconduttore, avviene allo “stato solido”.

I dispositivi a semiconduttore possono essere trovati sia come dispositivi a componenti discreti che come circuiti integrati.

Perché i semiconduttori?

La ragione principale per l’utilizzo di dispositivi semiconduttori (e quindi dei materiali semiconduttori sottostanti) nella produzione di dispositivi e componenti elettronici è la capacità di manipolare facilmente la sua conduttività dei portatori di carica, cioè elettroni e buchi.

Come già detto, la conduttività elettrica dei materiali semiconduttori si trova tra quella dei conduttori e degli isolanti. Anche questa conduttività può essere ulteriormente controllata da fattori esterni o interni come il campo elettrico, il campo magnetico, la luce, la temperatura e la distorsione meccanica.

Ingnorando i fattori esterni come la temperatura e la luce per ora, un processo chiamato Doping viene generalmente eseguito sui materiali semiconduttori, dove un’impurità viene introdotta nella sua struttura per cambiare le proprietà strutturali ed elettriche.

Un semiconduttore puro è noto come semiconduttore intrinseco, mentre un semiconduttore impuro o drogato è noto come semiconduttore estrinseco.

Quando il numero di elettroni liberi nella struttura del semiconduttore è aumentato dopo il doping, il semiconduttore è noto come semiconduttore di tipo n. Allo stesso modo, se i buchi sono aumentati, è noto come semiconduttore di tipo p.

Diversi tipi di dispositivi a semiconduttore

Quella che segue è una piccola lista di alcuni dei dispositivi a semiconduttore comunemente usati. In base alla struttura fisica del dispositivo, la seguente lista è categorizzata in dispositivi a due terminali e dispositivi a tre terminali.

Dispositivi a semiconduttore a dueDispositivi a semiconduttore a due terminali

• Diodo
• Diodo Schottky
• Diodo ad emissione luminosa (LED)
• DIAC
• Diodo Zener
• Fotodio (Foto Transistor)
• Diodo PIN
• Diodo laser
• Diodo Tunnel
• Fotocellula
• Cella solare
• Diodo Gunn
• Diodo IMPATT
• Diodo TVS (Diodo di soppressione della tensione transitoria)
• VCSEL (Laser ad emissione superficiale a cavità verticale)

Dispositivi a semiconduttore a tre terminalidispositivi a semiconduttore a tre terminali

• Transistor bipolare
• Transistor a effetto campo
• Transistor bipolare a gate isolato (IGBT)
• Transistor Darlington Transistor
• Rettificatore controllato al silicio (SCR)
• TRIAC
• Tiristore
• Transistor unigiunzione

Ci sono anche alcuni semiconduttori a quattrosemiconduttori a quattro terminali come l’optoaccoppiatore (fotoaccoppiatore) e il sensore a effetto Hall.

Per maggiori informazioni su alcuni dei dispositivi a semiconduttore sopra menzionati, leggi “Diodo a giunzione P-N”, “Transistor”, “Tiristore”.

Applicazioni dei dispositivi a semiconduttore

Come detto prima, i dispositivi a semiconduttore sono la base di quasi tutti i dispositivi elettronici. Alcune delle applicazioni dei dispositivi a semiconduttore sono:

• I transistor sono i componenti principali in vari circuiti integrati come i microprocessori.
• In effetti, sono i componenti principali nella costruzione di porte logiche e altri circuiti digitali.
• I transistor sono anche usati in circuiti analogici come amplificatori e oscillatori.