SCIENZA&STORIA/ Semiconduttori e Dispositivi. Dal Transistor a Internet

- Mario Guzzi

L’itinerario della «rivoluzione racchiusa in un granello di silicio» che ha profondamente cambiato la nostra società e per chiarire termini entrati a far parte del linguaggio comune.

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Gli inventori del Transistor: W. Shockley, W. Brittain e J. Bardeen nel 1947

Le tappe più importanti della «rivoluzione racchiusa in un granello di silicio» che ha profondamente cambiato il volto della società contemporanea. Un affascinante itinerario che chiarisce i termini di un linguaggio tecnologico specifico ormai entrati a far parte del linguaggio comune.

Negli ultimi due o tre decenni l’elettronica, e in particolare quella che si suole chiamare l’elettronica allo stato solido, quella cioé basata su dispositivi a semiconduttore, ha inciso sempre più profondamente sull’organizzazione del lavoro e sulla vita di tutti i giorni.
All’origine di questa rivoluzione sta una classe di materiali: i semiconduttori. Fra questi il silicio, con le sue proprietà peculiari, ha reso possibile la realizzazione di circuiti integrati e memorie dalle dimensioni sempre più ridotte (da cui il termine microelettronica) e dalle potenzialità sempre più spinte.
D’altra parte semiconduttori composti, quali quelli costituiti da elementi del III e del V gruppo della tavola periodica, di cui l’arseniuro di gallio (GaAs) è il prototipo, hanno permesso, grazie alla loro particolare struttura elettronica, la realizzazione del laser a semiconduttore, utilizzato per la trasmissione di informazioni per via ottica (da cui il termine optoelettronica) o per la lettura di compact disk, e di dispositivi per applicazioni a alta frequenza, utilizzati nel settore delle trasmissioni.
La capacità di trasmettere, conservare e elaborare dati e informazioni, propria di questi sistemi, ha portato alla realizzazione e diffusione capillare di strumenti di calcolo (calcolatori, personal computer, portatili) e permesso di potenziare l’intevento e il controllo sui processi produttivi (robottizzazione), sulle strutture economiche (informatizzazione delle banche e dei mercati finanziari internazionali) e sull’organizzazione del lavoro e della società (posta elettronica, telefoni cellulari, diffusione dell’informazione via internet). Probabilmente poche altre scoperte hanno avuto effetti altrettanto innovatori: la macchina a vapore, l’elettricità, il motore a scoppio, le materie plastiche.
Ripercorrere sinteticamente le vicende che hanno portato alla nascita e allo sviluppo dell’elettronica a semiconduttore permette ora, a poco più di 50 anni dall’invenzione del transistor, di mettere in evidenza un aspetto importante. La «rivoluzione elettronica» che caratterizza questa nostra epoca è stata resa possibile solamente grazie a una continua interazione di progresso scientifico e sviluppo di tecnologie appropriate.
A partire dal transitor, l’invenzione di ogni dispositivo è stata preceduta da studi di carattere fondamentale e ha costituito una spinta importante verso ulteriori ricerche. Ciò a sua volta ha determinato la possibilità di realizzare nuovi dispositivi e rendere quindi possibili nuove applicazioni. Scrive infatti nel 1976 W. Brattain, uno degli inventori del transistor: «Oggi il transistor non è più un dispositivo singolo. È una famiglia di dispositivi realizzati in un gran numero di modi differenti e presenti in pressoché tutti i circuiti elettrici. […] Il transistor nacque perché la conoscenza di aspetti fisici fondamentali si era sviluppata a un livello tale che fu possibile interpretare fenomeni che erano già stati osservati da tempo. Nel caso di un dispositivo dalle così importanti conseguenze tecnologiche, è da notare che la scoperta derivò da un lavoro dedicato alla comprensione di fenomeni fisici fondamentali piuttosto che attraverso un procedere per tentativi nella produzione di un dispositivo utile.»
I semiconduttori sono i materiali che hanno reso possibile questa rivoluzione. Senza l’approfondimento di conoscenze di base sulle loro proprietà e senza lo sviluppo di tecnologie adeguate per la loro preparazione, la rivoluzione elettronica non sarebbe stata possibile. Anche nello studio delle proprietà fondamentali dei semiconduttori conoscenza scientifica e sviluppo tecnologico vanno di pari passo: lo sviluppo della tecnologia permette di preparare materiali dalle proprietà così ben controllate da rendere possibile un approfondimento del loro studio altrimenti non possibile.

La scoperta dei semiconduttori e le loro prime applicazioni

La parola «semiconduttore» fu introdotta nel 1782 da Alessandro Volta, a seguito dell’osservazione che un elettrometro si scarica con velocità diversa se uno dei suoi terminali viene toccato con materiali diversi: i metalli lo scaricano istantaneamente, gli isolanti non lo scaricano e i semiconduttori lo scaricano molto lentamente. È questa una prima evidenza del diverso valore della resistività di queste tre classi di materiali, documentata storicamente, ma non adeguatamente compresa.
La prima osservazione significativa di un comportamento tipico dei semiconduttori, cioè differente da quello dei metalli, è dovuta a Faraday che nel 1833 nota che la conducibilità di alcuni materiali aumenta all’aumentare della temperatura. Un ulteriore passo avviene nel 1873, quando W. Smith osserva che la conducibilità del selenio aumenta quando viene illuminato.

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Mario Guzzi
(Ordinario di Fisica Generale presso il Corso di Laurea in Scienza dei Materiali dell’Università degli Studi di Milano-Bicocca)

© Pubblicato sul n° 04 di Emmeciquadro




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