Nozioni di base sull'elettronica: che cos'è un semiconduttore? - dummies

I semiconduttori sono ampiamente utilizzati nei circuiti elettronici. Come suggerisce il nome, un semiconduttore è un materiale che conduce corrente, ma solo in parte. La conduttività di un semiconduttore è da qualche parte tra quella di un isolante, che ha quasi nessuna conduttività, e un conduttore, che ha una conduttività quasi completa. La maggior parte dei semiconduttori sono cristalli fatti di alcuni materiali, più comunemente silicio.

Per capire come funzionano i semiconduttori, devi prima capire un po 'di come gli elettroni sono organizzati in un atomo. Gli elettroni di un atomo sono organizzati a strati. Questi livelli sono chiamati shell. La shell più esterna è chiamata shell valence .

Gli elettroni in questo guscio sono quelli che formano legami con gli atomi vicini. Tali legami sono chiamati legami covalenti . La maggior parte dei conduttori ha un solo elettrone nel guscio di valenza. I semiconduttori, d'altra parte, hanno tipicamente quattro elettroni nel loro guscio di valenza.

Se tutti gli atomi vicini sono dello stesso tipo, è possibile che tutti gli elettroni di valenza si leghino con gli elettroni di valenza di altri atomi. Quando ciò accade, gli atomi si dispongono in strutture chiamate cristalli . I semiconduttori sono fatti di tali cristalli, solitamente cristalli di silicio.

Qui, ogni cerchio rappresenta un atomo di silicio e le linee tra gli atomi rappresentano gli elettroni condivisi. Ciascuno dei quattro elettroni di valenza in ciascun atomo di silicio è condiviso con un atomo di silicio vicino. Pertanto, ciascun atomo di silicio è legato con altri quattro atomi di silicio.

I cristalli di silicio puro non sono poi così utili elettronicamente. Ma se introducete piccole quantità di altri elementi in un cristallo, il cristallo inizia a condurre in modo interessante.

Il processo di introdurre deliberatamente altri elementi in un cristallo è chiamato doping . L'elemento introdotto dal drogaggio è chiamato drogante . Controllando attentamente il processo di drogaggio e i droganti che vengono utilizzati, i cristalli di silicio possono trasformarsi in uno di due distinti tipi di conduttori:

• semiconduttore di tipo N: Creato quando il drogante è un elemento che ha cinque elettroni nella sua strato di valenza. Il fosforo è comunemente usato per questo scopo.

  Gli atomi di fosforo si uniscono a destra nella struttura cristallina del silicio, ciascuno dei quali si collega con quattro atomi di silicio adiacenti proprio come farebbe un atomo di silicio. Poiché l'atomo di fosforo ha cinque elettroni nel suo guscio di valenza, ma solo quattro di essi sono legati ad atomi adiacenti, il quinto elettrone di valenza è lasciato sospeso senza nulla da legare.

  Gli elettroni di valenza in più negli atomi di fosforo iniziano a comportarsi come gli elettroni di valenza singola in un conduttore regolare come il rame. Sono liberi di muoversi. Poiché questo tipo di semiconduttore ha elettroni in più, è chiamato un semiconduttore di tipo N .

  

• Semiconduttore di tipo P: Si verifica quando il drogante (come il boro) ha solo tre elettroni nella shell di valenza. Quando una piccola quantità viene incorporata nel cristallo, l'atomo è in grado di legarsi con quattro atomi di silicio, ma poiché ha solo tre elettroni da offrire, viene creato un buco . Il buco si comporta come una carica positiva, quindi i semiconduttori drogati in questo modo sono chiamati semiconduttori di tipo P.

  Come una carica positiva, i fori attraggono gli elettroni. Ma quando un elettrone si muove in un buco, l'elettrone lascia un nuovo buco nella sua posizione precedente. Quindi, in un semiconduttore di tipo P, i fori si muovono costantemente all'interno del cristallo mentre gli elettroni cercano costantemente di riempirli.

  

Quando la tensione viene applicata a un semiconduttore di tipo N o di tipo P, i flussi di corrente, per la stessa ragione per cui scorre in un conduttore regolare: Il lato negativo della tensione spinge gli elettroni e il lato positivo li tira. Il risultato è che il movimento casuale di elettroni e fori, sempre presente in un semiconduttore, si organizza in una direzione, creando una corrente elettrica misurabile.