La nostra utile guida ai semiconduttori esplora il loro ruolo fondamentale nella tecnologia moderna e nell’innovazione futura.
Adam Jeffery Product Manager per sensori e semiconduttori montati su scheda in Distrelec
Adam vanta oltre 8 anni di esperienza nel settore e svolge un ruolo chiave nel far conoscere a tecnici e professionisti i sensori più innovativi disponibili sul mercato. Appassionato di tecnologie all’avanguardia, Adam aiuta i clienti a migliorare le loro applicazioni offrendo componenti innovativi e di alta qualità.
Table of Contents
- I semiconduttori nella tecnologia moderna
- Cos’è un semiconduttore?
- Diodi
- 10 tipi di semiconduttori discreti
- 1. Diodo PIN
- 2. Diodo in corrente costante (noto anche come diodo limitatore di corrente)
- 3. Diodo Zener
- 4. Diodo raddrizzatore
- 5. Diodo a soppressione di tensioni transitorie (Transient-Voltage-Suppression, TVS)
- 6. Transistor a giunzione bipolare
- 7. Transistor Darlington
- 8. Transistor ad effetto di campo a giunzione (Junction Gate Field-Effect Transistor, JFET)
- 9. Transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)
- 10. Transistor bipolare a gate isolato (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)
- Il futuro dei semiconduttori
- Marchi consigliati
I semiconduttori nella tecnologia moderna
I semiconduttori sono al centro della maggior parte dei dispositivi tecnici, inclusi giochi elettronici, lettori di codici a barre, computer e microprocessori. Come componente intrinseco di dispositivi computerizzati, i semiconduttori sono ampiamente utilizzati nella produzione di diodi, transistor e circuiti integrati. La loro applicazione è cresciuta in modo esponenziale negli ultimi anni, grazie alle dimensioni sempre più ridotte, ai progressi sia nelle apparecchiature a semiconduttore che nei materiali semiconduttori e alla capacità di produrre in serie circuiti integrati (CI) da un singolo chip.
Cos’è un semiconduttore?
I semiconduttori non sono componenti in quanto tali, ma si tratta in realtà di materiali che possono essere elementi puri, come silicio o germanio, o composti, come l’arseniuro di gallio o il selenide di cadmio. Questi materiali non sono né buoni conduttori né isolanti e pertanto sono a metà strada tra le due caratteristiche. I semiconduttori (come suggerisce il nome) sono in grado di condurre elettricità, ma solo se soggetti a stimolazione elettrica in una direzione specifica. Questa capacità unica consente loro di agire come un interruttore elettronico, in quanto possono sia condurre che non condurre, fornendo l’1 o lo 0 necessari nel calcolo binario e nell’elaborazione digitale.
I dispositivi a semiconduttore sono piccoli, affidabili, economici ed efficienti dal punto di vista energetico e, di conseguenza, sono adatti all’integrazione in complessi circuiti microelettronici. Come componenti discreti, possono essere utilizzati in dispositivi di alimentazione, emettitori di luce e sensori ottici.
Esistono due tipi di semiconduttori: intrinseci ed estrinseci.
| Intrinseco | Estrinseco |
|---|---|
| Semiconduttore puro | Semiconduttore impuro |
| Densità uniforme degli elettroni rispetto ai fori | Densità non uniforme degli elettroni rispetto ai fori |
| Bassa conducibilità termica | Alta conducibilità termica |
| Dipende dalla temperatura | Dipende dalla temperatura e dal livello delle impurezze |
Il materiale più comunemente usato per chip e transistor a semiconduttore è il silicio. Il suo uso è così importante che ha dato origine al termine “Silicon Valley”, sinonimo di molte delle aziende e dei prodotti tecnologici globali più innovativi. Il silicio, sebbene per sua natura non sia un conduttore, può essere drogato in modo che si comporti come tale.
Il drogaggio è il processo mediante il quale il silicio viene miscelato con un’impurità per creare un semiconduttore estrinseco. Due tipi di impurità sono utili a questo scopo.
1. Drogaggio di tipo N:
- Al silicio vengono aggiunte piccole quantità di fosforo o di arsenico.
- Il fosforo e l’arsenico hanno cinque elettroni liberi. Quando si combinano con il silicio, il quinto elettrone non ha nulla a cui legarsi e quindi si muove liberamente.
- Il silicio di tipo N è un conduttore efficace ed è così chiamato perché gli elettroni hanno una carica negativa.
2. Drogaggio di tipo P:
- Al silicio vengono aggiunte piccole quantità di boro o gallio.
- Questi elementi hanno solo tre elettroni liberi, che creano “lacune” nel reticolo di silicio, in cui gli elettroni del silicio non hanno nulla a cui legarsi.
- In assenza di elettroni, si ottiene una carica positiva.
- La corrente viene condotta attraverso queste lacune poiché ogni lacuna accetta un elettrone da una lacuna vicina, creando un buon conduttore.
La più piccola quantità di entrambe le impurità può alterare il comportamento del silicio da buon isolante a conduttore praticabile. Ciò crea un semiconduttore.
Diodi
I diodi vengono creati combinando silicio di tipo N e silicio di tipo P. Si tratta del dispositivo a semiconduttore più semplice poiché la corrente scorre in una direzione ma non nell’altra, consentendogli di funzionare come un interruttore che può essere aperto o chiuso all’occorrenza.
La maggior parte dei dispositivi che utilizzano batterie contengono un diodo che impedisce alla corrente di uscire dalla batteria e che serve a proteggere il dispositivo nel caso le batterie vengano inserite al contrario.
10 tipi di semiconduttori discreti
1. Diodo PIN
I diodi PIN vengono spesso impiegati in applicazioni ad alta tensione e applicazioni che richiedono una commutazione rapida. I diodi PIN possono essere distinti rispetto ad altri diodi poiché il semiconduttore è inserito tra uno strato di semiconduttore di tipo P e uno di tipo N.
2. Diodo in corrente costante (noto anche come diodo limitatore di corrente)
I diodi in corrente costante sono anche noti come diodi limitatori di corrente. Regolano la corrente piuttosto che la tensione e consentono alla corrente di fluire solo fino a un certo valore, mantenuto dal diodo.
3. Diodo Zener
I diodi Zener consentono alla corrente di fluire in una direzione o nella direzione inversa. Sono spesso utilizzati per tre scopi: fornire un fattore di limitazione alla tensione, proteggere da una tensione eccessiva o fungere da riferimento di tensione.
4. Diodo raddrizzatore
I diodi raddrizzatori consentono alla corrente di passare solo in una direzione. Rettificano la corrente alternata convertendola in corrente continua attraverso l’uso di ponti raddrizzatori. Essendo più robusti dei diodi standard, sono in grado di gestire carichi di lavoro più pesanti.
5. Diodo a soppressione di tensioni transitorie (Transient-Voltage-Suppression, TVS)
I diodi TVS sono progettati per proteggere i semiconduttori sensibili da potenziali danni causati da tensioni transitorie. Gli attributi includono tempi di risposta rapidi, bassa capacità e bassa corrente di dispersione che lo rendono ideale per eventi di scariche elettrostatiche (ESD).
6. Transistor a giunzione bipolare
I transistor a giunzione bipolare dispongono di portatori di carica che usano sia cariche negative che positive. Le applicazioni comuni per i transistor a giunzione bipolare comprendono la commutazione e l’amplificazione. Sebbene siano spesso incorporati nei circuiti analogici, possono anche essere acquistati come unità discrete.
7. Transistor Darlington
Un transistor Darlington è essenzialmente composto da due transistor, di cui il primo amplifica la corrente a un livello specifico e il secondo la amplifica ulteriormente. I transistor Darlington sono spesso utilizzati per risparmiare il più possibile spazio su una scheda, in cui altrimenti dovrebbero essere utilizzati due transistor.
8. Transistor ad effetto di campo a giunzione (Junction Gate Field-Effect Transistor, JFET)
I JFET sono comunemente usati nelle applicazioni di commutazione ma sono anche in grado di fornire resistenza che dipende dalla tensione. Hanno terminali di source e drain, che possono essere utilizzati per aggiungere resistenza alla corrente elettrica o per interromperla del tutto.
9. Transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)
I MOSFET sono il tipo di transistor più comunemente usato, grazie al loro uso in circuiti sia analogici che digitali. Sono, di fatto, JFET con quattro terminali (body, drain, gate e source), sebbene, nella pratica, tre di questi siano in genere applicati durante l’uso. I MOSFET funzionano come un interruttore, controllando la tensione e il flusso di corrente tra il canale e il drain.
10. Transistor bipolare a gate isolato (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)
Gli IGBT sono una via di mezzo tra il transistor bipolare e il MOSFET. Beneficiano della combinazione di alte velocità di commutazione tipiche di un MOSFET e della bassa tensione di saturazione di un transistor bipolare.
Il futuro dei semiconduttori
I semiconduttori composti, che sono costituiti da due o più elementi, sono la prossima generazione di semiconduttori. È probabile che diventino strumentali alla direzione che prenderà il futuro della tecnologia e nel sostenere l’Internet of Things (IoT). I semiconduttori composti superano le capacità del silicio in quanto sono più veloci, più efficienti e in grado di supportare tecnologie ad altissime prestazioni. Utilizzati ampiamente nelle comunicazioni wireless, i chip realizzati con composti come l’arseniuro di gallio si trovano in quasi tutti gli smartphone, consentendo comunicazioni ad alta velocità e alta efficienza sia nelle reti cellulari che WiFi. A differenza del silicio, i semiconduttori composti emettono e rilevano la luce, fattore utile in LED, laser e fibre ottiche. Questo attributo, combinato con la maggiore efficienza dei semiconduttori composti, faciliterà l’innovazione in una serie di settori tra cui 5G, robotica, intelligenza artificiale (AI), veicoli autonomi ed energia rinnovabile.
Probabilmente, anche gli sviluppi nell’informatica quantistica risulteranno determinanti per il progresso dei semiconduttori, visti gli sforzi delle aziende nella creazione di computer quantistici con incredibili potenze di elaborazione. Mentre la ricerca iniziale in quest’area si è concentrata su sistemi che operano in condizioni con una temperatura pari a zero, l’inclusione di semiconduttori consentirà lo sviluppo di computer quantistici che potranno essere utilizzati a temperatura ambiente. Ciò ci avvicinerà più che mai alla realizzazione commerciale dell’informatica quantistica, una rivoluzione per la società moderna.
