Semiconduttori a banda larga

I semiconduttori a banda larga (WBG) acronimo di Wide Band Gap presentano band gap energetici molto più ampi (oltre 3.2 eV) rispetto ai semiconduttori tradizionali come il silicio e l’arseniuro di gallio che hanno un band gap rispettivamente di 1.1 e 1.43 eV rispettivamente. Questa caratteristica li rende molto promettenti per essere applicati nei campi dell’elettronica e dell’optoelettronica.

Le notevoli proprietà dei semiconduttori a banda larga hanno facilitato lo sviluppo di una vasta gamma di dispositivi che possono essere integrati in circuiti versatili, offrendo prestazioni e funzionalità migliorate. I semiconduttori a banda larga detti di terza generazione possono mantenere eccellenti prestazioni e stabilità ad alte frequenze e allo stesso tempo hanno le caratteristiche di velocità di commutazione rapida, dimensioni ridotte e rapida dissipazione del calore.

I semiconduttori a banda larga hanno proprietà elettroniche che si collocano tra quelle dei semiconduttori e quelle degli isolanti convenzionali, consentendo loro di operare a tensioni, frequenze e temperature molto più elevate rispetto ai materiali semiconduttori convenzionali. Il band gap più ampio e quindi la ridotta generazione termica dei portatori di carica, consente ai semiconduttori a banda larga di funzionare a temperature molto più elevate, ad esempio fino a 300°C o persino 900°C.

Band gap

I semiconduttori a banda larga sono così chiamati a causa di un band gap energetico relativamente ampio rispetto al silicio convenzionale. Il band gap elettronico è il gap energetico tra la parte superiore della banda di valenza e la parte inferiore della banda di conduzione nei materiali solidi.

Nella teoria delle bande elaborata dal fisico svizzero Felix Bloch la banda di valenza è quella che prende origine dall’interazione degli orbitali atomici di valenza degli atomi che costituiscono il materiale: metalli, isolanti, semiconduttori. Essa, in dipendenza dalla natura del materiale, può essere completamente oppure parzialmente riempita di elettroni. Gli elettroni presenti nel guscio più esterno della banda di valenza se forniti di energia sufficiente superano il band gap e vengono trasformati in elettroni liberi e si spostano nella banda di conduzione.

La banda di conduzione, costituita da elettroni liberi responsabili della conduzione, è quella che prende origine dall’interazione degli orbitali atomici. Essi hanno energia più elevata di quella degli orbitali atomici di valenza degli atomi che costituiscono il cristallo.  Pertanto l’energia di questa banda è maggiore dell’energia della banda di valenza.

La banda di conduzione, a differenza di quella di valenza, è normalmente vuota in quanto essa prende origine da orbitali atomici che di norma non ospitano elettroni.

Queste due bande di energia, in dipendenza della reciproca posizione degli atomi che costituiscono il cristallo possono essere adiacenti o addirittura parzialmente sovrapposte; in questo caso è molto facile lo scorrimento degli elettroni da una banda all’altra o essere separate dal band gap e in questo caso è molto difficile lo scorrimento degli elettroni da una banda all’altra.

Proprietà di semiconduttori a banda larga

I più importanti esempi di semiconduttori a banda larga sono il carburo di silicio (SiC), il nitruro di gallio (GaN), l’ossido di zinco (ZnO), l’ossido di indio (In₂O₃) , l’ossido di indio-gallio-zinco (IGZO), l’ossido di gallio (Ga₂O₃), il nitruro di alluminio (AlN) e il diamante.

Essi presentano varie proprietà interessanti come elevata mobilità elettronica, elevata tensione di rottura, elevata conduttività termica, eccellente assorbimento ottico ed efficiente emissione di luce. Il potenziale dei semiconduttori a banda larga di funzionare a temperature elevate è cruciale non solo per densità di potenza più elevate, ma anche per applicazioni in ambienti difficili, come sistemi aerospaziali e automobilistici.

Con proprietà di conduzione e commutazione circa dieci volte migliori del silicio, i semiconduttori a banda larga sono una scelta naturale per l’elettronica di potenza, producendo dispositivi più piccoli, più veloci e più efficienti, con la capacità di resistere a tensioni e temperature più elevate rispetto ai componenti omologhi basati sul silicio.

Queste caratteristiche, insieme a una maggiore durata e a una maggiore affidabilità, posizionano i dispositivi di potenza che utilizzano semiconduttori a banda larga come materiali chiave per le importanti applicazioni emergenti di oggi come, ad esempio, veicoli elettrici ibridi ed elettrici e e stoccaggio di energia rinnovabile.

Carburo di silicio 

Il carburo di silicio è il più noto dei semiconduttori a banda larga che presenta caratteristiche uniche come alto punto di fusione, eccellente resistenza all’ossidazione, elevata inerzia chimica, elevata conducibilità termica, buona capacità di assorbimento delle microonde, ampio gap di banda energetica ed elevata resistenza meccanica ed è utilizzato in strutture aerospaziali, biomateriali e semiconduttori.

Presenta una caratteristica notevole di elevata mobilità degli elettroni, che denota la velocità alla quale gli elettroni possono attraversare la sostanza. Questa caratteristica rende il carburo di silicio adatto all’impiego in applicazioni ad alta frequenza, come i dispositivi che lavorano in radiofrequenza.  Inoltre, ha una costante dielettrica ridotta, che consente di accumulare carica con un consumo energetico inferiore rispetto ai materiali semiconduttori alternativi.

Il SiC presenta una durezza nella scala di Mohs di circa 9.5, il che lo rende uno dei materiali più robusti esistenti. Grazie alla sua eccezionale durezza e conduttività termica, il SiC è un materiale adatto per applicazioni in utensili da taglio e cuscinetti ad alta temperatura

Le ceramiche al carburo di silicio con basse impurità mantengono la loro resistenza a temperature molto elevate, fino a 1600 ° C. La conduzione elettrica del materiale ha portato al suo uso in elementi riscaldanti a resistenza per forni elettrici e come componente chiave nei termistori.

Nitruro di gallio

Il nitruro di gallio, è tra i semiconduttori a banda larga quello che ha rivoluzionato l’illuminazione a LED ad alta efficienza energetica, fu scoperto dai ricercatori della Cornell University le cui proprietà furono pubblicate in un articolo su Science il 26 settembre 2019.

Ha una struttura monocristallina esagonale tipica della wurtzite, ma su scala nanometrica può essere sintetizzato in diversi gruppi morfologici come, ad esempio, nanoparticelle, nanobarre, nanotubi e fili quantici usando diverse tecniche di sintesi. Le particelle di nitruro di gallio hanno una durezza meccanica molto elevata e proprietà termiche e ottiche superiori che dipendono dalla dimensione dei nanocristalli a causa del confinamento quantistico.

Il nitruro di gallio è emerso come uno dei materiali più attraenti per le tecnologie a radiofrequenza e di conversione di potenza che richiedono dispositivi ad alta potenza e ad alta frequenza. Ha trovato molte applicazioni nell’optoelettronica e una delle sue applicazioni più conosciute è il diodo laser viola basato su utilizzato per leggere i Blu-ray Disc, supporti di memoria di tipo ottico in grado di memorizzare contenuti in Full HD e Ultra HD.

I transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) basati sul nitruro di gallio sono componenti chiave in diverse applicazioni che vanno dalla difesa alle comunicazioni. I materiali epitassiali di nitruro di gallio cresciuti su substrati di zaffiro rappresentano una piattaforma tecnologica molto importante per i diodi a emissione di luce visibile (LED) e la tecnologia di illuminazione a stato solido.

Nanostrutture

Sfruttando le proprietà ottiche e dielettriche ingegnerizzabili, le nanostrutture di nitruro di gallio sono utilizzate in un’ampia gamma di dispositivi come LED, diodi laser, biosensori, celle solari, transistor ad effetto di campo, fotocatalizzatori per la scissione dell’acqua e nanogeneratori piezoelettrici che trasformano il calore esterno in energia sfruttando materiali piroelettrici sensibili anche alla minima variazione di temperatura.

I semiconduttori al nitruro di gallio offrono prestazioni ad alta velocità e ridotte emissioni di carbonio, rendendoli un punto di svolta nel campo dell’elettronica.  I semiconduttori al nitruro di gallio stanno trovando applicazioni nei server dei data center in sostituzione di quelli al silicio che mostrano limiti nella potenza di elaborazione in modo efficace ed efficiente.

Usi

I semiconduttori a banda larga, grazie alla possibilità di mantenere eccellenti prestazioni e stabilità ad alte frequenze e con caratteristiche di velocità di commutazione rapida, dimensioni ridotte e rapida dissipazione del calore, trovano un grande utilizzo nell’era  del 5G e dei veicoli elettrici in cui  è aumentata a domanda di elaborazione ad alta frequenza e ad alta velocità e di ricarica ad alta velocità dei prodotti tecnologici.

Dispositivi di memoria

Nel campo dell’elettronica i semiconduttori a banda larga sono utilizzati nei dispositivi di memoria a banda larga che presentano velocità di lettura e scrittura più elevate, una maggiore durata e un consumo energetico inferiore rispetto ai semiconduttori tradizionali.

I dispositivi a banda larga migliorano la sensibilità dei sensori e le capacità dell’interfaccia, consentono una maggiore efficienza energetica, una maggiore densità di potenza e temperature di esercizio più elevate nei convertitori, negli inverter e negli azionamenti dei motori.

Sistemi di comunicazione wireless

I semiconduttori a banda larga sono utilizzati nei sistemi di comunicazione wireless per il loro funzionamento ad alta frequenza e la gestione efficiente della potenza. In campo optoelettronico i dispositivi a banda larga consentono sistemi di imaging ad alta risoluzione e alta sensibilità per applicazioni scientifiche, mediche e industriali.

Nel rilevamento ottico i fotodetector a banda larga forniscono soluzioni di rilevamento accurate e affidabili per il monitoraggio ambientale e industriale. I dispositivi a banda larga consentono sistemi di imaging ad alta risoluzione e alta sensibilità per applicazioni scientifiche, mediche e industriali. I dispositivi ottici ad alta velocità ed efficienti sono essenziali per la trasmissione dei dati nelle moderne reti di comunicazione.

Nei circuiti convertitori di dati forniscono una maggiore velocità e precisione rispetto ai convertitori analogico-digitali e digitale-analogico. Nella tecnologia della visualizzazione, grazie all’adozione di dispositivi ad ampio band gap, si ottengono display a risparmio energetico con risoluzione e precisione del colore migliorate.

Tuttavia, sebbene i semiconduttori a banda larga abbiano prestazioni migliori in termini di prestazioni, la loro soglia tecnica è più alta e non tutti i componenti elettronici e le applicazioni tecniche richiedono prestazioni così elevate, quindi questo tipo di semiconduttori non sostituiranno, nel breve periodo, completamente quelli precedenti.

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