SEMICONDUTTORI: QUESTI GRANDI SCONOSCIUTI

In questo post spiegherò in modo semplice e comprensibile a tutti cosa rende questi materiali così strategici per l’industria elettronica moderna e così plasmabili a piacere.

COSA SONO I CRISTALLI

Anticipo subito che, quando si parla di “Semiconduttori”, in realtà ci si riferisce a strutture cristalline di alcuni materiali ed alle loro proprietà elettriche.

Va ricordato che un cristallo è un solido in cui gli atomi si trovano in una struttura geometrica molto ben ordinata ed in cui ciascun atomo mantiene una precisa posizione fortemente stabilizzata dai legami con gli atomi vicini. Ad esempio, un cristallo è trasparente alla luce perché gli atomi sono tutti allineati in un modo che la luce attraversa i vari loro vuoti ben allineati.

Quando parliamo di semiconduttori nel mondo elettronico ci riferiamo sempre alla lora forma cristallina che, proprio per questa loro forma, riusciamo a sfruttarli e modificare la loro conducibilità elettrica.

CRISTALLI CONDUTTORI

Ad esempio, un metallo come il rame, altamente conduttivo, è costituito da una struttura cristallina molto ben ordinata dove ogni atomo non è in grado di trattenersi legati a sé tutti i suoi elettroni che così diventano “liberi” di muoversi. In questo caso nel cristallo vengono a trovarsi un mare di elettroni liberi di muoversi e che costituiscono la “capacità di condurre l’elettricità”.

Se si collega ai due poli di una batteria un cavo di rame si crea un circuito chiuso ed un’enorme quantità di elettroni liberi del rame si muove dal polo negativo verso il polo positivo. In questo caso si crea addirittura un cortocircuito della batteria ed in poco tempo si scarica.

CRISTALLI ISOLANTI

Ad esempio, un cristallo di quarzo è un ottimo isolante, la sua struttura cristallina è formata da atomi ben ordinati e che sono gelosissimi dei loro elettroni che tengono strettissimi. Non esiste nemmeno un elettrone libero di muoversi nel cristallo e se collegato ai poli di una batteria non riesce a trasportare alcun elettrone dal polo negativo al polo positivo: si dice che è un perfetto isolante elettrico.

CRISTALLI SEMICONDUTTORI

Sono una via di mezzo tra isolanti e conduttori. Ad esempio, il germanio ha una struttura cristallina ben organizzata ma i suoi atomi non sono così gelosi dei loro elettroni come i cristalli isolanti ed è sufficiente un po’ di energia, come il calore, per staccarne alcuni e rendere il cristallo leggermente conduttivo. Se lo si raffredda molto gli elettroni diventano sempre più legati ai propri atomi ed il germanio diventa sempre più isolante.

Questa sua proprietà di poter aumentare e diminuire a piacimento gli elettroni liberi nel cristallo lo ha reso un mezzo straordinario per l’elettronica moderna.

Come vedremo più oltre, un’altra importantissima caratteristica dei cristalli semiconduttori è la possibilità di modificarne la conducibilità elettrica introducendo nel cristallo degli atomi diversi, detti droganti, per cui li si può rendere artificialmente conduttori a propria volontà creando i diversi dispositivi elettronici che, nel loro complesso, definiamo “SEMICONDUTTORI”.

SEMICONDUTTORI “N” E SEMICONDUTORI “P”

Questa è la parte più delicata e difficile di tutta la storia dei semiconduttori per uso elettronico e la cui comprensione ha fatto parte delle motivazioni del premio Nobel assegnato nel 1956 agli inventori del transistor William Shockley, Walter Brattain e John Bardeen.

Tutto lo sviluppo che ne seguì trova la base scientifica nel famoso testo di William Shockley, “Electrons and Holes in Semiconductors” pubblicato nel 1950. Un testo che fornisce una dettagliata spiegazione matematica del comportamento degli elettroni e delle "lacune" (holes) nei materiali semiconduttori, equazioni e modelli che ancora oggi permettono la progettazione e creazione di sempre più potenti chip.

Abbiamo ora citato le “lacune” quasi fossero la versione positiva dell’elettrone, mentre ben sappiamo dalla fisica che la versione positiva dell’elettrone è il “positrone” che nel nostro universo non esiste allo stato naturale-

Allora in che cosa consiste una “lacuna” in un cristallo? Certamente non è il positrone, ma come definisce il termine, è la “mancanza di un elettrone”. Questa è la grande e sostanziale caratteristica dei cristalli semiconduttori come il germanio, il silicio e molti altri dove inserendo nella struttura cristallina, ad esempio, nel germanio, un atomo diverso dal germanio ma con un elettrone in meno, questo atomo crea un “vuoto” o mancanza di elettrone che si sposta all’interno del cristallo come fosse una carica positiva, quella del centro dell’atomo.

In altre parole, se ad un cristallo di germanio in cui abbiamo creato un certo numero di lacune attraverso l’inserimento di opportuni atomi, colleghiamo i poli di una batteria, il polo negativo della batteria invierà elettroni a colmare le lacune all’interno del germanio, creando un flusso di lacune dal polo positivo al polo negativo. Abbiamo così realizzato un cristallo semiconduttore, che chiamiamo “P” e che, all’apparenza, muove cariche positive dal polo positivo al polo negativo della batteria.

Ovvio che le sue caratteristiche di velocità di movimento ed altre sono diverse da quelle proprie degli elettroni, ma si comprende che abbiamo creato un cristallo che si comporta come ci fossero cariche positive libere anziché elettroni liberi. Questa è l’essenza concettuale che ha dato il via ad una delle più grandi industrie di tutti i tempi.

Quanto qui esposto è una piccola parte del libro in preparazione:

“Dal GERMANIO al SILICIO, Semiconduttori, la vera storia”.