I semiconduttori sono componenti essenziali dei moderni dispositivi elettronici e quindi sono uno degli elementi costitutivi fondamentali della tecnologia moderna. Per essere adatta come materiale semiconduttore, una sostanza deve avere una conduttività elettrica compresa tra quella degli isolanti, che conducono pochissima elettricità, e dei conduttori, che consentono all’elettricità di fluire molto facilmente. La maggior parte dei materiali semiconduttori sono solidi inorganici cristallini, sebbene esistano anche semiconduttori realizzati da solidi e liquidi amorfi. I materiali semiconduttori comuni includono silicio, arseniuro di gallio e nitruro di gallio, sebbene ne esistano anche altri. Oltre a questi materiali primari, i semiconduttori contengono spesso anche piccole quantità di altre sostanze, note come droganti.
La conduttività di un materiale semiconduttore può essere aumentata sottoponendolo a energia elettrica, campi magnetici o altri stimoli che aumentano i livelli di energia degli elettroni del materiale, facendo sì che alcuni di essi si spostino dalla banda di valenza a bassa energia alla banda di energia più alta, meno banda di conduzione affollata. Ciò consente agli elettroni energizzati di muoversi più liberamente attraverso il materiale creando spazi vuoti caricati positivamente nella banda di valenza chiamati buchi di elettroni. Ciò consente all’elettricità di fluire attraverso il semiconduttore. Manipolando la conduttività di un semiconduttore, può essere utilizzato come interruttore. I semiconduttori sono utilizzati anche per la generazione di energia solare e per i sensori di rilevamento della luce, perché possono produrre un flusso di corrente elettrica se opportunamente energizzati dai fotoni di luce in arrivo.
Il materiale semiconduttore più comunemente usato è il silicio, il quattordicesimo elemento della tavola periodica e uno degli elementi più comuni nella crosta terrestre. La maggior parte dei semiconduttori di silicio ha una struttura cristallina regolare in cui sono disposti i loro atomi, ma può essere utilizzato anche silicio non cristallino o amorfo. I semiconduttori di silicio amorfo hanno prestazioni inferiori rispetto al silicio cristallino, ma il silicio amorfo può essere depositato in strati molto più sottili, il che può ridurre il costo del materiale.
Il successivo materiale semiconduttore più comune è l’arseniuro di gallio composto (GaAs). L’arseniuro di gallio è superiore al silicio sotto diversi aspetti, come una commutazione più rapida e una maggiore resistenza al calore. Tuttavia, è anche più costoso e più difficile da lavorare e quindi viene solitamente utilizzato solo per applicazioni in cui il silicio è inadeguato. Soffre anche di un maggiore consumo di energia. L’arseniuro di gallio è comunemente usato per scopi come l’elettronica ad alta velocità e le celle fotovoltaiche ad alta efficienza.
Un altro composto di gallio utilizzato per i semiconduttori è il nitruro di gallio (GaN), che può funzionare a temperature e tensioni molto elevate e quindi viene spesso utilizzato per applicazioni che coinvolgono le microonde. Il nitruro di gallio viene utilizzato anche nei diodi emettitori di luce (LED) e nei diodi laser ad alta frequenza, nonché in alcuni radar militari. Può anche essere combinato con un altro materiale semiconduttore, il nitruro di indio (InN), per produrre una miscela chiamata nitruro di indio e gallio. Il nitruro di indio e gallio è comunemente usato nei LED e può anche essere un materiale estremamente efficiente per le celle solari.
I semiconduttori contengono spesso piccole quantità di droganti per alterare le loro proprietà conduttive in base alla loro funzione. I droganti comuni nel silicio includono gli elementi boro, fosforo e arsenico. L’arseniuro di gallio e il nitruro di gallio drogati con metalli come il manganese hanno proprietà sia semiconduttive che ferromagnetiche.