Dispositivo a semiconduttore

Idispositivi a semiconduttoresonocomponenti elettroniciche sfruttano le proprietà elettroniche deimateriali semiconduttori, principalmentesilicio,germanioearseniuro di gallio. I dispositivi a semiconduttore hanno rimpiazzato levalvole termoionichenella maggior parte delle applicazioni. Utilizzano laconduzionedeglielettroninellostato solido, anziché nelvuotoo nellostato gassoso. I dispositivi a semiconduttore sono disponibili come componenti discreti o possono essere integrati insieme a un gran numero, spesso milioni, di dispositivi simili su un singolo chip, chiamatocircuito integrato(di cui si usa spesso l'acronimoinglese IC:Integrated Circuit).
Se un semiconduttore è puro e non è sottoposto all'azione di uncampo elettrico, permette solo una piccola conduzione dicorrente, ed è praticamente unisolante. Il principale motivo per cui i semiconduttori sono così utili è che laconduttivitàdei semiconduttori può essere modificata con l'aggiunta di impurità (drogaggio), con l'azione di uncampo elettrico, con l'esposizione allaluce, o con altri mezzi. Per esempio, il funzionamento deiCCD, le unità base dellefotocamere digitali, risiede nel fatto che la conduttività del semiconduttore cresce con l'esposizione alla luce. Il funzionamento deltransistore, che sarà discusso in seguito, dipende dal fatto che la conduttività del semiconduttore può essere aumentata dalla presenza di un campo elettrico.
La conduzione di corrente in unsemiconduttoreavviene attraverso "elettroni liberi" e "lacune". Le lacune non sono vere particelle; esse rappresentano la mancanza di unelettrone, in un senso che, per essere compreso, richiede alcune conoscenze difisica dei semiconduttori. Comunque questa mancanza, o lacuna, può essere trattata come la controparte carica positivamente dell'elettrone carico negativamente. In effetti, anche il preciso significato di "elettroni liberi" richiede, per essere compreso, una conoscenza di base della fisica dei semiconduttori. Per comodità, gli "elettroni liberi" sono spesso indicati semplicemente come "elettroni", ma si deve tenere ben presente che la maggioranza degli elettroni in unsolidonon è libera e non contribuisce alla conduttività.
Se ilcristallodi un semiconduttore è perfettamente puro ed è mantenuto ad unatemperaturavicina allozero assolutosenza sollecitazioni (per esempio campi elettrici o luce), non contiene elettroni liberi né lacune, e quindi è un isolante perfetto. Atemperatura ambiente, le eccitazioni termiche producono alcune coppie di elettroni liberi e lacune, ma la maggioranza di semiconduttori a temperatura ambiente sono nella pratica isolanti.
Drogare un semiconduttore, come ilsilicio, con atomi di impurità, come ilboroe ilfosforocrea un numero non uguale di elettroni liberi e lacune. Alti livelli di drogaggio possono rendere un semiconduttore un buon conduttore. Quando un semiconduttore drogato contiene più lacune rispetto agli elettroni liberi è chiamato di "tipo p", mentre quando contiene più elettroni liberi rispetto alle lacune è chiamato di "tipo n". Il materiale semiconduttore nei dispositivi è quasi sempre accuratamente drogato per scopi ingegneristici. Le giunzioni tra semiconduttori di tipo n e di tipo p, chiamategiunzioni p-n, sono gli elementi fondamentali di molti dispositivi a semiconduttore, come ildiodo a giunzionee iltransistor a giunzione bipolare.
Anche uncampo elettricopuò creare un numero diseguale di elettroni liberi e di lacune in un semiconduttore. Questa è la base del funzionamento dei "transistori a effetto campo" (FET:Field Effect Transistor) come ilMOSFET. L'esposizione allalucegeneralmente crea in un semiconduttore coppie elettrone/lacuna, che cambiano la sua conduttività e consentono la rilevazione della luce.
Il più importante dispositivo a semiconduttore in uso oggi è ilMOSFET, un tipo ditransistoreil cui funzionamento risiede su un "gate", da cui si origina uncampo elettricoche controlla la conduttività di un "canale". I MOSFET, così come altri tipi di transistori, sono usati come blocchi base delleporte logiche. Il loro ruolo in unmicroprocessoreè per certi versi analogo a quello delneuronenelcervello. Neicircuiti digitalicome i microprocessori, i transistori agiscono come interruttori aperti-chiusi; nel MOSFET, per esempio, latensionedi comando del gate determina se l'interruttore è aperto o chiuso.
I transistori sono fondamentali anche neicircuiti analogici. I transistori usati in ambito analogico non si comportano come interruttori aperti-chiusi, ma ad ingressi variabili in modo continuo rispondono con uscite anch'esse variabili in modo continuo. Per esempio, i transistori sono la base degliamplificatori, i quali producono in uscita un segnale amplificato ma comunque identico (idealmente) all'ingresso. Per anni iltransistore bipolare, o BJT, è stato il transistore di riferimento per i circuiti analogici. Tuttavia, ilMOSFETha caratteristiche nettamente migliori per i circuiti digitali, e poiché è difficile integrare BJT e MOSFET su un singolo chip, i MOSFET sono oggi comunemente usati sia per applicazioni digitali che analogiche.
Il transistore è il dispositivo a semiconduttore più importante, ma ci sono decine di altre famiglie di dispositivi a semiconduttore. Alcuni dei più importanti dispositivi a semiconduttore di corrente uso sono:
L'identificazione dei dispositivi a semiconduttore discreti è spesso dipendente dal produttore. Tuttavia ci sono stati tentativi di creare deglistandardper i codici identificativi, e un sottoinsieme di dispositivi li segue. Per icomponenti discreti, per esempio, ci sono tre standard:JEDECJESD370BnegliUSA,Pro ElectroninEuropaeJisinGiappone.