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Elementi semiconduttori: Gruppo IV, Gruppo V e la rivoluzione dei composti

I semiconduttori non sono un singolo elemento—sono una classe di materiali con conduttività tra conduttori e isolanti, controllabile tramite drogaggio, temperatura e luce. I semiconduttori elementari provengono principalmente dal Gruppo 14 (IVA) della tavola periodica, mentre il Gruppo 15 (VA) fornisce i principali droganti n-tipo. L'industria moderna, tuttavia, si basa su semiconduttori composti che combinano Gruppi III-V, II-VI e IV-IV.

Gruppo 14 (IVA) — Il fondamento elementare

ElementoSimboloBandgap (eV)Stato
SilicioSi1,12Re dell'industria (95%+ di mercato). Abbondante, il nativo ossido stabile SiO₂ consente MOSFET/IC.
GermanioGe0,66Primo transistor (1947). Maggiore mobilità. Oggi di nicchia: SiGe BiCMOS, ottica IR, SPAD, quantistico.
Diamante (Carbonio)C5,47Bandgap ultra-ampio. Potenza/RF/termico estremi. R&D / nicchia.
Stagno (α-Sn)Sn0,08 (grigio)Semimetallo/zero-gap. Ricerca isolante topologico.
PiomboPb—Metallo. Non è un semiconduttore.

Gruppo 15 (VA) — I droganti N-tipo (per Si/Ge)

Gruppo 13 (IIIA) — Boro, Alluminio, Gallio, Indio — sono gli accettori P-tipo.

Semiconduttori composti: dove sta l'azione

Combinare elementi di gruppi diversi crea materiali con bandgap diretti (efficiente emissione/assorbimento di luce), alta mobilità elettronica/velocità di saturazione (RF/potenza), o bandgap ampi (alta tensione/temperatura).

MaterialeGruppiProprietà chiaveApplicazioni principali
GaAsIII-VGap diretto (1,42 eV), alta mobilità elettronicaAmplificatori RF (telefoni), LED, laser, celle solari (spazio)
InPIII-VGap diretto (1,34 eV), velocità elettronica molto altaLaser/detettori fibra ottica lunga distanza, HEMT, THz
GaNIII-VAmpio gap (3,4 eV), alta tensione di rottura, 2DEGElettronica di potenza (EV, caricatori), RF (5G, radar), LED Blu/Bianchi, Laser
SiCIV-IVAmpio gap (3,3 eV), alta conduttività termica, alta tensione di rotturaPotenza ad alta tensione (trazione EV, solare, rete), MOSFET 1200V+
AlN / Ga₂O₃III-V / III-VIGap ultra-ampio (>4 eV)LED UV profondi, potenza di prossima generazione (R&D)
CdTe / CIGSII-VI / I-III-VIGap diretto, pellicola sottileFotovoltaico (scala utility)
PerovskitiABX₃Gap regolabile, processabile in soluzionePV emergente, LED, detettori raggi X (R&D)

Drogaggio: La vera magia

Il Si puro è un cattivo conduttore (~2,3 kΩ·cm). Aggiungendo 1 ppm di Fosforo → ~10 Ω·cm. Aggiungendo 1% → 0,001 Ω·cm. Il drogaggio controlla la conduttività su 10 ordini di grandezza. Ecco perché gli "elementi del Gruppo 14" sono gli ospiti e gli "elementi del Gruppo 13/15" sono le chiavi dell'azione dei transistor.

Riepilogo

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