Semiconduttori

In un semiconduttore intrinseco (silicio puro, germanio puro), a temperatura ambiente solo una frazione minuscola di elettroni (circa $10^{-12}$) ha energia sufficiente per “staccarsi” dal reticolo e diventare libera. Il materiale conduce, ma pochissimo. La densità di portatori dipende esponenzialmente dalla temperatura:

$n(T) \propto \exp\!\bigl(-E_g/(2 k_B T)\bigr)$

dove $E_g$ è l’energia di gap ($\sim 1{,}1$ eV per il silicio). Basta scaldare un po’ per aumentare drasticamente la conduzione — comportamento opposto a quello dei metalli.

Il vero salto tecnologico viene dal drogaggio: si sostituisce circa 1 atomo ogni $10^6$ di silicio con atomi di un elemento diverso.

• Tipo $n$ (arsenico, fosforo): 5 elettroni di valenza contro i 4 del silicio. Il quinto resta libero → portatori negativi in eccesso.
• Tipo $p$ (boro, alluminio): 3 elettroni di valenza. Manca un elettrone per completare i legami → portatori positivi, le lacune, in eccesso.

L’accoppiamento di una zona $n$ con una zona $p$ costituisce la giunzione $pn$: un diodo che lascia passare corrente in una sola direzione (polarizzazione diretta). Tre giunzioni in successione formano un transistor, che permette di amplificare o commutare segnali con un controllo elettrico piccolissimo. Tutta l’informatica è costruita su transistor in silicio, circa $10^{10}$ per chip moderno (Bloomfield 2016).

Contesto storico

Il transistor a punta di contatto fu costruito ai Bell Labs nel dicembre 1947 da Bardeen, Brattain e Shockley (Nobel 1956). Il primo circuito integrato risale al 1958 (Jack Kilby, Texas Instruments). Da allora, secondo la legge di Moore (1965), la densità dei transistor sui chip raddoppia ogni $\sim 2$ anni: una crescita esponenziale che dura, con rallentamenti, da oltre 60 anni.

Collegamenti

Argomenti: Circuiti elettrici Concetti: Legge di Ohm

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