Oltre il silicio: la ricerca di nuovi semiconduttori

Oltre il silicio: la ricerca di nuovi semiconduttori

Il nostro mondo moderno è basato sui semiconduttori. Oltre al computer, ai telefoni cellulari e alle fotocamere digitali, i semiconduttori sono una componente fondamentale di un numero crescente di dispositivi. Pensa alle luci a LED ad alta efficienza che stanno rimpiazzando le lampade CFL in casa, insieme a tutto ciò che ha un display illuminato o un circuito di controllo: automobili, frigoriferi, forni, macchine per il caffè e altro ancora.

Mentre molte persone hanno sentito parlare di silicio e Silicon Valley, non si rendono conto che questo è solo un esempio di un’intera classe di materiali.

Ma il silicio utilizzato in tutti i tipi di computer e gadget elettronici ha i suoi limiti tecnici, in particolare perché gli ingegneri cercano di utilizzare dispositivi elettronici per produrre o elaborare la luce. La ricerca di nuovi semiconduttori è attiva. Da dove verranno queste innovazioni di materiali?

Cos’è un semiconduttore?

Come suggerisce il nome, i semiconduttori sono materiali che conducono elettricità ad alcune temperature ma non ad altri – a differenza della maggior parte dei metalli, che sono conduttivi a qualsiasi temperatura, e isolanti come vetro, plastica e pietra, che di solito non conducono elettricità.

Tuttavia, questo non è il loro tratto più importante. Se costruiti correttamente, questi materiali possono modificare l’elettricità che si muove attraverso di essi, limitando le direzioni in cui scorre e amplificando un segnale.

La combinazione di queste proprietà è la base di diodi e transistor che costituiscono tutti i nostri moderni gadget. Questi elementi del circuito svolgono una moltitudine di compiti, tra cui la conversione dell’elettricità dalla presa a muro in qualcosa utilizzabile dai dispositivi e l’elaborazione delle informazioni sotto forma di zero e uno.

La luce può anche essere assorbita nei semiconduttori e trasformata in corrente e tensione elettrica. Il processo funziona anche al contrario, consentendo l’emissione di luce. Usando questa proprietà, realizziamo laser, luci a LED, fotocamere digitali e molti altri dispositivi.

L’ascesa del silicio

Mentre tutto questo sembra molto moderno, le scoperte originali dei semiconduttori risalgono agli anni ’30.

Il selenio fu anche usato per fare alcune delle prime celle solari nel 1880.

Antica Cella solare al selenio

Il selenio fu scoperto dal chimico Berzelius nel 1817 e nel 1873 Smith scoprì che la sua resistività era una funzione dell’intensità dell’illuminazione che cadeva sulla superficie del materiale. La prima cella di selenio fu fabbricata da Siemens nel 1876, e fu realizzata avvolgendo due sottili fili di platino sulla superficie di un foglio di mica, e poi coprendo la superficie con un sottile film di selenio fuso. L’ampio rapporto superficie-volume era necessario perché la fotoconduttività è un effetto di superficie, mentre la resistività del selenio è piuttosto elevata.

La cella di selenio fu usata come rivelatore per un sistema di comunicazione ottica sviluppato da Alexander Graham Bell nel 1879-1880, l’area attiva è il piccolo rettangolo centrale.

Una limitazione chiave era l’incapacità di purificare gli elementi utilizzati. Piccole impurità, piccole come una su un trilione, o lo 0,0000000001 per cento, potrebbero cambiare radicalmente il comportamento di un semiconduttore. Mentre la tecnologia si evolveva per produrre materiali più puri, seguivano migliori semiconduttori.

Il primo transistor semiconduttore fu fatto di germanio nel 1948, ma il silicio si alzò rapidamente per diventare il materiale semiconduttore dominante. Il silicio è meccanicamente forte, relativamente facile da purificare e ha proprietà elettriche ragionevoli.

È anche incredibilmente abbondante: il 28,2 percento della crosta terrestre è silicio. Questo lo rende letteralmente poco costoso. Questo semiconduttore quasi perfetto ha funzionato bene per la creazione di diodi e transistor e costituisce ancora la base di quasi tutti i chip del computer. C’era un problema: il silicio è molto inefficiente nel convertire la luce in un segnale elettrico o nel trasformare l’elettricità in luce.

Quando l’uso primario dei semiconduttori era nei processori per computer collegati da fili metallici, questo non era un grosso problema. Ma, mentre ci muovevamo verso l’utilizzo di semiconduttori nei pannelli solari, sensori per fotocamere e altre applicazioni legate alla luce, questa debolezza del silicio divenne un vero ostacolo al progresso.

Trovare nuovi semiconduttori

La ricerca di nuovi semiconduttori inizia sulla tavola periodica degli elementi, una parte della quale è nella figura a destra.

Nella colonna con l’etichetta IV , ogni elemento forma legami condividendo quattro dei suoi elettroni con quattro vicini. Il più forte di questi legami di elementi del “gruppo IV” è per il carbonio (C), formando diamanti. I diamanti sono buoni isolanti (e trasparenti) perché il carbonio trattiene questi elettroni  strettamente. Generalmente, un diamante brucerebbe prima di poter forzare una corrente elettrica attraverso di esso. Recentemente strutturando gli atomi di carbonio in sottili reticoli si è arrivati alla soluzione opposta con il grafene, ugualmente trasparente, resistente ma altamente conduttivo.

Gli elementi nella parte inferiore della colonna, stagno (Sn) e piombo (Pb), sono molto più metallici. Come la maggior parte dei metalli, essi tengono i loro elettroni di legame in modo così sciolto che quando viene applicata una piccola quantità di energia gli elettroni sono liberi di rompere i loro legami e fluire attraverso il materiale.

Silicio (Si) e germanio (Ge) sono in mezzo e di conseguenza sono semiconduttori. A causa di una stranezza nel modo in cui entrambi sono strutturati, tuttavia, sono inefficienti nello scambio di elettricità con la luce.

Per trovare materiali che funzionano bene con la luce, dobbiamo passare da una parte all’altra della colonna del gruppo IV. Combinando elementi delle colonne “gruppo III” e “gruppo V” si ottengono materiali con proprietà semiconduttive. Questi materiali “III-V”, come l’arseniuro di gallio (GaAs), sono usati per realizzare laser, luci a LED, fotorivelatori (come si trovano nelle fotocamere) e molti altri dispositivi. Fanno quello che il silicio non fa bene.

Ma perché il silicio viene usato per i pannelli solari se è così difficile convertire la luce in elettricità? Costo. Il silicio può essere raffinato da una pala piena di sporcizia raccolta da qualsiasi punto della superficie terrestre; gli elementi costitutivi dei composti III-V sono molto più rari.

Un pannello solare in silicio standard converte la luce solare con un’efficienza dal 10 al 15%. Un pannello III-V può essere tre volte più efficiente, ma spesso costa oltre tre volte di più. I materiali III-V sono anche più fragili del silicio, rendendoli difficili da lavorare con pannelli larghi.

Tuttavia, la maggiore velocità degli elettroni dei materiali III-V consente la costruzione di transistor molto più veloci, con velocità centinaia di volte superiori di quelle che si trovano nei computer. Possono aprire la strada alla sostituzione dei cavi all’interno dei computer con fasci di luce, migliorando significativamente la velocità del flusso di dati.

Oltre ai materiali III-V, ci sono anche materiali II-VI in uso. Questi materiali includono alcuni dei solfuri e ossidi ricercati nell’800. Combinazioni di zinco, cadmio e mercurio con tellurio sono state utilizzate per creare telecamere a infrarossi e celle solari. Questi materiali sono notoriamente fragili e molto difficili da fabbricare.

Il futuro dei semiconduttori

Come potrebbero essere utilizzati nuovi materiali semiconduttori?

L’elettronica a semiconduttore ad alta potenza III-V (nitruro di gallio) sarà la spina dorsale del nostro sistema di rete elettrica, convertendo la potenza per la trasmissione ad alta tensione e viceversa. I nuovi materiali (antimonidi e bismutoidi) stanno aprendo la strada al rilevamento a infrarossi ( http://www.mdpi.com/1424-8220/13/4/5054/htm ) per usi medici, militari, civili, nonché nuove possibilità di telecomunicazione.

E che dire del vecchio standby, il silicio? La sua incapacità di sfruttare la luce in modo efficiente non significa che sia destinata al cestino della polvere della storia. I ricercatori stanno dando nuova vita al silicio, creando “silicon photonics” ( http://reap.ece.tufts.edu/ ) per gestire meglio la luce, piuttosto che limitarsi a scambiare elettroni.

Un metodo è l’inclusione di piccole quantità di un altro elemento del gruppo IV, stagno, in silicio o germanio. Questo cambia le loro proprietà, permettendo loro di assorbire ed emettere luce in modo più efficiente.

La ricerca futura ci dirà vali sono le direzioni che avranno avuto maggior successo.

Amilcare

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