“Fisica DEI calcolatori: pricipi base delle moderne tecnologie al silicio”
Bussei - Longo
Introduzione.
Illustrando i componenti fondamentali di un calcolatore moderno si ripercorrono
velocemente gli enormi progressi in elettronica e si introduce così la “problematica”
e l’incessante ricerca di prestazioni sempre più spinte portando l’attenzione sui
principi e sui problemi fisici che stanno alla base.
Proprietà fisiche della materia.
Elettroni di valenza e struttura elettronica dei solidi: gli elettroni più esterni di
un atomo, in genere in un sottostrato incompleto, sono responsabili del
legame chimico, dell’interazione degli atomi con la luce e determinano le
proprietà dei materiali. Essi sono detti elettroni di valenza. Nella formazione
delle molecole si ha la transizione da elettroni di valenza localizzati intorno
agli atomi (orbitali atomici) a elettroni distribuiti su tutto lo spazio occupato
dalla molecola (orbitali molecolari). Analogamente nella formazione dei
solidi, gli orbitali atomici si fondono a formare orbitali cristallini, estesi a tutto
lo spazio occupato dal solido. Gli elettroni di valenza nei solidi, dunque, non
sono più legati ai singoli atomi, ma sono delocalizzati su tutto il cristallo.
Le bande di energia: la struttura dei livelli energetici del solido si può
ottenere partendo da quella dell’atomo isolato.
Elettroni e lacune: sfruttando un’analogia “idrica” si accenna alla differenza
tra elettroni e lacune come portatori di corrente elettrica.
Proprietà dei semiconduttori.
Conducibilità elettrica: nei semiconduttori la conducibilità elettrica può
variare di diversi ordini di grandezza, con valori intermedi tra quelli dei
metalli e degli isolanti. La caratteristica più significativa della conducibilità
dei semiconduttori tuttavia non è il valore, ma la sua forte dipendenza dalla
temperatura e dal contenuto di impurezze.
Ruolo delle impurezze: la presenza di impurezze, in proporzioni
strettamente controllate, in un cristallo semiconduttore consente di
controllare la concentrazione degli elettroni e delle lacune responsabili delle
proprietà elettriche.
Donori ed accettori: le impurezze utili nei semiconduttori sono di due tipi:
donori e accettori. Donore è un’impurezza che cede facilmente (“dona”) uno
dei suoi elettroni di valenza alla banda di conduzione del semiconduttore.
Un analogo discorso vale se invece dei donori sono presenti impurezze
accettori.
Portatori maggioritari: nel caso generale in cui siano presenti sia donori che
accettori, nel semiconduttore avviene un processo di compensazione che
porta ad una concentrazione efficace di drogante uguale al modulo della
differenza tra la concentrazione di donori ed accettori. Se ND >> NA i
portatori maggioritari sono gli elettroni (n>>p), e il semiconduttore si dirà di
tipo n, mentre le lacune saranno i portatori minoritari. Al contrario se
NA >> ND
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Giunzione p-n
Un semiconduttore omogeneo, ossia con caratteristiche uniformi al suo interno, ad
una data temperatura si comporta come una normale resistenza, sia esso puro
(intrinseco), o drogato.
Le applicazioni pratiche dei semiconduttori in generale non si basano su materiali
omogenei, ma su monocristalli nei quali è stata artificialmente creata una
variazione nel drogaggio più o meno brusca.
La zona di svuotamento: la zona di svuotamento è una regione stretta
attorno alla superficie di separazione della giunzione p-n, in cui non vi sono
portatori liberi di carica. Lo spessore d dello strato di svuotamento
diminuisce al crescere del drogaggio; in una giunzione tipica è di qualche
frazione di m (o anche meno), mentre il campo elettrico che si crea è
elevato, ≥ di 10 5 Volt /cm.
Polarizzazione diretta: quando alla giunzione è applicata una tensione
esterna V, l’equilibrio viene alterato e attraverso la giunzione si stabilisce un
flusso di portatori di carica la cui intensità dipende fortemente dal segno
della tensione applicata.
Il diodo: una struttura costituita da una giunzione p - n con contatti ohmici
agli estremi delle zone neutre p ed n è detto diodo a giunzione p - n. La
giunzione p - n svolge un ruolo importante nell’elettronica e come elemento
per la costruzione dei transistor. Inoltre la giunzione è l’elemento costitutivo
dei dispositivi optoelettronici, per l’emissione e la rivelazione della
radiazione, delle celle solari che convertono l’energia ottica in energia
elettrica. Applicazioni LED (trasformazione energia elettrica in energia
luminosa); Celle solari, trasformazione inversa
La fisica del transistor
L’importanza del transistor è dovuta soprattutto al suo impiego nell’elettronica
digitale. Il transistor può essere infatti utilizzato come elemento attivo di base per
fabbricare porte logiche, memorie, CPU.
L’invenzione del transistor risale alla fine degli anni ‘40 e ha provocato una vera e
propria rivoluzione nel campo dell’elettronica digitale permettendo l’incredibile
sviluppo dei calcolatori elettronici che ancora oggi stiamo osservando.
Il transistor bipolare a giunzione: principi di funzionamento ed esempio di
utilizzo come amplificatore.
Transistor ad effetto campo: le proprietà elettriche delle giunzioni p-n e dei
transistor a giunzione dipendono dalla presenza di elettroni e di lacune e
per questo i dispositivi sono detti “bipolari”. Esistono tuttavia anche
transistor “unipolari” che coinvolgono cioè un solo tipo di portatori.
L’effetto campo: il funzionamento di questi dispositivi si basa sull’effetto che
un campo elettrico esterno ha sulla distribuzione spaziale dei portatori
maggioritari. Transistor di questo tipo sono detti “ad effetto di campo” (Field
Effect Transistor) o FET.
MOSFET & C.: i vari tipi di transistor ad effetto campo agiscono come
amplificatori controllati in tensione. Presentano, sui transistor bipolari, il
vantaggio di lavorare con un minimo consumo di energia, di poter essere
ultra miniaturizzati, di consentire la memorizzazione di segnali, tramite la
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carica della capacità del gate. Queste caratteristiche hanno favorito lo
sviluppo dei calcolatori tascabili, degli orologi digitali, e soprattutto, dei
circuiti a larga scala di integrazione (Very Large Scale Integration, o VLSI),
quindi dei chip dei microprocessori.
Problemi di integrazione.
Limiti teorico-pratici nella riduzione dei componenti fondamentali; frontiere delle
miniaturizzazione nanotecnologica (VLSI)
Alternative al silicio (GaAs, InGaP, ecc.) per applicazioni di nicchia
Situazione attuale e trends a breve termine nella fisica dei semiconduttori:
I semiconduttori III-V e III-V nitruri trovano importanti applicazione nel campo
nanotecnologico: le “eterostrutture epitassiali a confinamento quantistico” possono
essere progettate e realizzate in modo tale da ottenere dispositivi micro ed
optoelettronici con svariate applicazioni. Tra le principali citiamo i transistor ad
elevata mobilità elettronica (InGaP/GaAs), le celle solari ad elevata efficienza per
applicazioni spaziali (InGaAs/InGaP/InGaNAs) i LASER ad emissione di cavità per
modulatori di fibre ottiche (IalGaAs/GaAs e AlInGaAsP) i laser violetti (GaN/InGaN)
per memorie ottiche e i LED visibili e bianchi. La tendenza futura è sia quella di
aumentare le possibili energie di emissione, che quella di esasperare gli effetti
quantistici (maggiori confinamenti) per rendere più efficienti i dispositivi.
Tecnologia futura.
QUANTUM COMPUTER: Il progetto del computer che sfrutta le proprietà
quantistiche degli elettroni (quantum computer) per estendere a possibilità
intermedie tra i bit 0 ed 1 e quindi di moltiplicare le capacità di calcolo
DNA COMPUTER: il progetto che sfrutta le molecole del DNA per realizzare
nanoprocessori velocissimi
CAPUTER OTTICO, in cui le informazioni vengono affidate a segnali ottici
(trasportati da fibre e/o da film organici) invece che elettrici, estendendo le
capacità di elaborazione.
NOTA PER GLI INSEGNANTI:
sarebbe bene che gli studenti avessero già familiartià con la struttura elettronica
dell’atomo e dei solidi (orbitali atomici e molecolari, bande di energia nei solidi) in
modo da potersi concentrare maggiormente sugli aspetti più squisitamente di ricerca
nel campo della fisica dei semiconduttori.
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