Dal silicio drogato ad internet: un viaggio nel mondo dei (semi)conduttori di energia

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Un filo di rame, che è un metallo, conduce. Cioè permette il trasporto di energia (per esempio termica, a causa di differenze di temperatura, oppure elettrica, per differenza di “potenziale” – una pila). Un pezzo di legno, un materiale di natura organica, solido, non conduce o conduce pochissimo. Non per nulla si usano padelle di metallo con manici di legno (o plastica). Da una parte conduttori, dall’altra isolanti.

Fin qui nessuna novità. Perché questo accada è una storia piuttosto complicata che ha a che fare con la mobilità di particelle elettricamente cariche (cioè dotate di carica elettrica) che sono messe a disposizione dal materiale (se è un conduttore, certo) per andarsene più o meno a spasso trascinate da forze elettriche esterne (o interne) all’oggetto. In realtà non si tratta solo di particelle (per esempio, gli elettroni) ma anche di movimento dei buchi lasciati liberi dagli elettroni che “saltano” da un atomo a quello più vicino. Bisogna immaginare che il pezzo di conduttore sia costituito da un numero immenso di atomi che sono disposti con regolarità a formare una specie di intelaiatura, il cosiddetto reticolo. La coesione fra questi atomi è dovuta al fatto che essi condividono fra di loro gran parte degli elettroni che possiedono per formare dei legami detti “covalenti”. Oppure, in altri casi, entrano in gioco forze di natura elettrostatica, che danno luogo a legami di tipo “ionico”. In questo modo, però, non ci sono pressoché più elettroni liberi per condurre elettricità.

Nel caso dei legami che non impiegano tutti gli elettroni di ogni atomo, ne resta qualcuno molto libero che, assieme agli elettroni liberi degli altri atomi del reticolo, formano una specie di melassa che è distribuita sull’intero volume del materiale. Questa moltitudine di elettroni è nota come “mare di Fermi”, a ricordare uno degli innumerevoli contributi del grande fisico italiano allo sviluppo della fisica contemporanea. Dunque, nel caso di un materiale conduttore, ci sono elettroni che abbandonano l’atomo di origine e contribuiscono al flusso di corrente elettrica che si produce in presenza di forze elettriche esterne (generate, per esempio, da una batteria).

La libertà di moto di questi portatori di carica in realtà è limitata dalla presenza di molti ostacoli lungo il loro cammino (in primis: gli stessi atomi dai quali gli elettroni provengono) e questo fatto spiega l’esistenza di una resistenza: nonostante una forza applicata costante, il moto efficace – la corrente – degli elettroni ha una velocità media costante. Piccolissima (frazioni di millimetro al secondo, tipicamente). A parte spiegazioni più tecniche legate alla fisica quantistica, rimane il fatto che esiste una giustificazione ragionevolmente semplice al cospetto del fluire della corrente che si osserva in moltissime situazioni sperimentali. Dal lato opposto, come già anticipato, esistono quei materiali nei quali gli elettroni – pur sempre presenti – non sono in grado di condurre nulla (elettricità o energia termica – calore, come si dice di solito ma impropriamente).

Questo perché non esistono le condizioni per le quali gli elettroni si possono liberare dal loro atomo genitore, oppure perché sono tutti impegnati a formare i legami del reticolo. Comunque vada, gli isolanti sono caratterizzati, di fatto, da una resistenza grandissima al passaggio di corrente, cioè al movimento medio di cariche elettriche. Esistono però dei materiali che si trovano, in qualche senso, a metà strada fra gli isolanti e i conduttori. Sono pressoché isolanti a temperature molto basse, ma a temperatura ambiente qualcosa conducono, anche se in maniera non facilmente predicibile. Bastano piccoli effetti esterni perché questi materiali si comportino differentemente. Materiali di questa origine sono detti – giustamente – semiconduttori. La loro caratteristica principale, come appena anticipato, è quella di mettere a disposizione una frazione ragionevole degli elettroni dei loro atomi per fenomeni conduttivi ma senza particolare convinzione. Quando conducono elettricità si dice che sono conduttori “intrinseci”. Lo fanno con una forte, complicata dipendenza dalla temperatura. Sembrano dunque oggetti veramente poco interessanti. Si sta parlando qui, per esempio, del silicio (silicon in inglese, che qualche impreciso traduttore non esattamente professionista cambia in silicone – che esiste ma non è il silicio). Oppure del germanio.

Elementi che hanno una struttura molto simile a quella del carbonio quando questo cristallizza nella forma del diamante. Inoltre il silicio è estremamente diffuso sul nostro pianeta (basta recuperarlo dalla sabbia delle spiagge). L’aspetto interessante di questi elementi semiconduttori è che si è scoperto, ormai più di 60 anni fa, il modo di renderli conduttori “a comando” e stabilmente. Per farlo si deve modificare la composizione chimica di questi cristalli introducendo delle impurezze (atomi di altra specie) in misura opportuna.

La conducibilità elettrica di semiconduttori “drogati” (simpatico termine che in fisica dello stato solido indica proprio l’introduzione delle impurezze ad hoc) è regolata in modo estremamente preciso e può essere fatta essenzialmente in due modi.

Si possono “drogare” semiconduttori aggiungendo pochi atomi in difetto di elettroni (che dunque ne accettano volentieri, e sono dunque detti atomi “accettori”) oppure pochi atomi in eccesso di elettroni (che dunque ne cedono volentieri, e sono dunque detti atomi “donori”). Un cristallo di silicio “drogato” (doped, in inglese) con atomi accettori si chiama silicio “p”, mentre il drogaggio con atomi donori forma silicio “n”.

Risultato: ci sono due semiconduttori che conducono corrente con ragionevole efficacia (ma sempre meno di un conduttore puro) che utilizzano diversi tipi di portatori di carica. Nel caso “n” predominano gli elettroni (cariche negative), nel caso “p” sono invece i buchi lasciati dagli elettroni in difetto che dettano legge. Si dice anche che il trasporto di elettricità avviene per lacune o vacanze. È importante sottolineare che, in entrambi i casi, l’etichetta n o p non denota una carica elettrica dominante nel semiconduttore ma unicamente un particolare meccanismo dominante. Semiconduttori di tipo n e p sono comunque elettricamente neutri. Vale anche la pena di citare il fatto che la conduzione per tramite di elettroni è più “fluida” di quella che si appoggia al difetto di elettroni, ovvero tramite vacanze.

Ciò detto resta un dubbio fondamentale: perché, visto che in natura esistono bravissimi conduttori puri, è necessario dannarsi a drogare il silicio a condurre a volte usando cariche elettriche negative, a volte giocando con la mancanza di esse? Per di più in modo molto meno efficace della conduzione che avviene nel rame o in qualsiasi altro metallo?

La meraviglia avviene quando si mettono a contatto due pezzi di semiconduttore, uno n e uno p. Si realizza in questo modo la cosiddetta “giunzione np”. In pratica, uno strato (sottilissimo) di silicio nel quale la modalità dominante di conduzione elettrica passa gradualmente da quella governata da cariche negative a quella per tramite di vacanze. Un simile strato risponde all’azione di un campo elettrico esterno (una batteria) in modo non simmetrico: se la pila è collegata nel verso tale da assecondare le modalità conduttive di tipo p ed n allora la giunzione conduce molto bene la corrente (esattamente come un buon conduttore).

Se però la pila è collegata in verso opposto, scambiando le polarità, allora la giunzione si chiude (si interdice, dicono gli addetti ai lavori) e la resistenza al passaggio di corrente cresce enormemente. Una specie di interruttore che automaticamente si apre e si chiude a seconda di quanto gli viene applicato. In elettronica un simile dispositivo è detto diodo ed è noto nelle sue caratteristiche da moltissimo tempo: è possibile infatti costruire un oggetto di questo genere senza scomodare i semiconduttori e la fisica quantistica. Esistevano (ed esistono) diodi realizzati utilizzando dei tubi a vuoto con al loro interno elettrodi con varie polarizzazioni che permettono questi stessi fenomeni di passaggio di corrente controllata.

Due cose sono importanti però a questo punto. Anzitutto va chiarito che un diodo non è un dispositivo solamente interessante (o bizzarro) ma anche utile. Permette molte applicazioni fondamentali in elettronica. Per esempio costituisce la base del processo di “rettificazione” di un segnale elettrico variabile nel tempo (una corrente alternata, in pratica).

Siccome il diodo fa passare corrente solo in una direzione, esso ha dunque la caratteristica di respingere segnali con un certo segno e di dare via libera a quelli di segno opposto. Circuiti che si basano su più diodi sono in grado di recuperare anche i segnali di segno opposto permettendo la trasformazione delle correnti alternate in correnti continue, procedura essenziale quando, per esempio, abbiamo bisogno di ricaricare le batterie del nostro computer o far funzionare la televisione, visto che si tratta di apparati che funzionano in corrente continua (ma il trasporto della corrente dalla centrale elettrica alle nostre abitazioni avviene solamente grazie alle proprietà delle correnti alternate).

L’altro fatto importante da sottolineare è sotto i nostri occhi: nei caricatori dei nostri cellulari non si vedono tubi a vuoto (che sono, peraltro, piuttosto ingombranti e affamati di energia, e anche molto caldi quando sono in funzione). In questi apparecchi i diodi sono invece realizzati con le tecnologie cui si accennava poco fa: piccolissime (ultra-microscopiche) giunzioni di semiconduttore: ce ne stanno milioni in spazi minuti e dissipano molto meno energia, scaldano di meno (e costano meno) dei loro equivalenti “valvolari” (i tubi a vuoto).

Inoltre, i diodi sono la base tecnologica per costruire strutture più complesse che funzionano come interruttori – piccolissimi e rapidissimi – e che consentono di realizzare circuiti in grado di compiere operazioni algebriche basate su una logica “booleana”, ovvero in termini un’aritmetica binaria, nella quale ci sono solamente due cifre, 1 e 0, vero e falso, acceso e spento. Milioni, miliardi di interruttori fatti di silicio che permettono la costruzione di computer, di internet, della società informatica e telematica di oggi.

Vi presento il transistor.

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