Cos'è un semiconduttore? Un ingegnere elettrico spiega come funzionano questi componenti elettronici critici e come sono realizzati

Jun 03, 2023

Professore di ingegneria elettrica, Arizona State University

Trevor Thornton non lavora, non fa consulenza, non possiede azioni o non riceve finanziamenti da alcuna società o organizzazione che trarrebbe beneficio da questo articolo e non ha rivelato alcuna affiliazione rilevante al di là della propria nomina accademica.

L'Arizona State University fornisce finanziamenti come membro di The Conversation US.

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I semiconduttori sono una parte fondamentale di quasi tutti i dispositivi elettronici moderni e la stragrande maggioranza dei semiconduttori è prodotta a Tawain. Le crescenti preoccupazioni sulla dipendenza da Taiwan per i semiconduttori, soprattutto data la tenue relazione tra Taiwan e Cina, hanno portato il Congresso degli Stati Uniti ad approvare il CHIPS and Science Act alla fine di luglio 2022. L’atto prevede più di 50 miliardi di dollari in sussidi per rilanciare l’industria dei semiconduttori statunitense. produzione ed è stato ampiamente trattato nelle notizie. Trevor Thornton, un ingegnere elettrico che studia i semiconduttori, spiega cosa sono questi dispositivi e come sono realizzati.

In generale, il termine semiconduttore si riferisce a un materiale – come il silicio – che può condurre l’elettricità molto meglio di un isolante come il vetro, ma non così bene come metalli come rame o alluminio. Ma quando oggi si parla di semiconduttori, di solito ci si riferisce ai chip semiconduttori.

Questi chip sono generalmente costituiti da sottili fette di silicio su cui sono disposti componenti complessi secondo schemi specifici. Questi schemi controllano il flusso di corrente utilizzando interruttori elettrici, chiamati transistor, più o meno nello stesso modo in cui controlli la corrente elettrica in casa premendo un interruttore per accendere una luce.

La differenza tra la tua casa e un chip a semiconduttore è che gli interruttori a semiconduttore sono interamente elettrici – nessun componente meccanico da capovolgere – e i chip contengono decine di miliardi di interruttori in un’area non molto più grande delle dimensioni di un’unghia.

I semiconduttori sono il modo in cui i dispositivi elettronici elaborano, archiviano e ricevono informazioni. Ad esempio, i chip di memoria memorizzano dati e software come codice binario, i chip digitali manipolano i dati in base alle istruzioni del software e i chip wireless ricevono dati da trasmettitori radio ad alta frequenza e li convertono in segnali elettrici. Questi diversi chip lavorano insieme sotto il controllo del software. Diverse applicazioni software svolgono compiti molto diversi, ma funzionano tutte commutando i transistor che controllano la corrente.

Il punto di partenza per la stragrande maggioranza dei semiconduttori è una sottile fetta di silicio chiamata wafer. I wafer di oggi hanno le dimensioni di un piatto piano e sono tagliati da singoli cristalli di silicio. I produttori aggiungono elementi come fosforo e boro in uno strato sottile sulla superficie del silicio per aumentare la conduttività del chip. È in questo strato superficiale che vengono realizzati gli interruttori a transistor.

I transistor sono costruiti aggiungendo sottili strati di metalli conduttivi, isolanti e altro silicio all'intero wafer, disegnando modelli su questi strati utilizzando un complicato processo chiamato litografia e quindi rimuovendo selettivamente questi strati utilizzando plasmi controllati da computer di gas altamente reattivi per lasciare modelli e strutture specifici. Poiché i transistor sono così piccoli, è molto più semplice aggiungere materiali a strati e quindi rimuovere con attenzione il materiale indesiderato piuttosto che posizionare linee microscopiche sottili di metallo o isolanti direttamente sul chip. Depositando, modellando e incidendo decine di volte strati di materiali diversi, i produttori di semiconduttori possono creare chip con decine di miliardi di transistor per pollice quadrato.

Ci sono molte differenze, ma la più importante è probabilmente l'aumento del numero di transistor per chip.

Tra le prime applicazioni commerciali dei chip semiconduttori vi furono le calcolatrici tascabili, che divennero ampiamente disponibili negli anni '70. Questi primi chip contenevano alcune migliaia di transistor. Nel 1989 Intel ha introdotto i primi semiconduttori in grado di superare il milione di transistor su un singolo chip. Oggi i chip più grandi contengono più di 50 miliardi di transistor. Questa tendenza è descritta dalla cosiddetta legge di Moore, secondo la quale il numero di transistor su un chip raddoppierà all'incirca ogni 18 mesi.