Cos’è un semiconduttore?

In generale, il termine semiconduttore si riferisce a un materiale – come il silicio – che ha una conduttività elettrica intermedia tra quella degli isolanti (come il vetro) e quella dei conduttori (come il rame o l’alluminio). Questa proprietà unica li rende fondamentali per l’elettronica moderna, poiché la loro conduttività può essere controllata con precisione, ad esempio aggiungendo impurità o applicando tensioni elettriche. Oggi, quando si parla di semiconduttori, ci si riferisce spesso ai chip a semiconduttore, componenti elettronici complessi che sono alla base di dispositivi come computer, smartphone e sensori.

Cosa fa un semiconduttore?

I semiconduttori sono il cuore dei dispositivi elettronici, permettendo loro di elaborare, memorizzare e trasmettere informazioni. Ad esempio:

• I chip di memoria memorizzano dati e software in forma di codice binario.
• I chip digitali manipolano i dati seguendo le istruzioni del software.
• I chip wireless ricevono dati da trasmettitori radio e li convertono in segnali elettrici.

Tutto questo è reso possibile dai transistor, interruttori elettrici microscopici che possono essere accesi o spenti per rappresentare i valori binari 1 e 0. Questi transistor sono integrati in grandi quantità all’interno dei chip, permettendo ai dispositivi di svolgere operazioni complesse in modo rapido ed efficiente.

Come si costruisce un chip semiconduttore?

Il processo di fabbricazione dei chip inizia con un wafer di silicio, una sottile fetta ricavata da un singolo cristallo di silicio. Il silicio è il materiale più utilizzato perché è abbondante, economico e ha proprietà elettroniche ideali. Su questo wafer, i produttori aggiungono elementi come fosforo e boro per modificarne la conduttività e creare strati di materiali conduttivi, isolanti e semiconduttivi.

I transistor sono realizzati attraverso un processo chiamato litografia, che utilizza luce ultravioletta per disegnare modelli microscopici sul wafer. Successivamente, strati di materiali vengono rimossi selettivamente utilizzando plasmi controllati da computer, lasciando strutture complesse che formano i transistor. Questo processo viene ripetuto decine di volte per creare chip con miliardi di transistor in un’area delle dimensioni di un’unghia.

Alternative al silicio

Sebbene il silicio sia il materiale più utilizzato, esistono alternative come il gallio nitruro (GaN) e il carburo di silicio (SiC), che sono particolarmente adatti per applicazioni ad alta potenza o ad alta frequenza. Questi materiali sono sempre più utilizzati in settori come i veicoli elettrici e le telecomunicazioni, dove le prestazioni e l’efficienza energetica sono critiche.

Come sono cambiati i chip nel tempo?

I chip semiconduttori hanno subito un’evoluzione straordinaria negli ultimi decenni. Tra le prime applicazioni commerciali c’erano le calcolatrici tascabili degli anni ’70, che contenevano poche migliaia di transistor. Nel 1989, Intel introdusse i primi chip con oltre un milione di transistor. Oggi, i chip più avanzati contengono più di 50 miliardi di transistor.

Questa crescita esponenziale è descritta dalla legge di Moore, un’osservazione empirica secondo cui il numero di transistor su un chip raddoppia circa ogni 18 mesi. Tuttavia, negli ultimi anni, l’industria ha dovuto affrontare sfide significative per continuare a ridurre le dimensioni dei transistor. Una soluzione è stata l’introduzione di chip tridimensionali (3D), che utilizzano strutture a forma di pinna per aumentare la densità dei transistor. Questi chip 3D sono oggi ampiamente utilizzati, ma richiedono processi di fabbricazione molto più complessi.

Perché le fonderie sono così costose?

La fabbricazione di chip avanzati richiede fonderie altamente sofisticate, che possono costare oltre 10 miliardi di dollari per essere costruite. Queste strutture utilizzano attrezzature all’avanguardia, come litografi a ultravioletti estremi (EUV), e operano in ambienti controllati per evitare contaminazioni. A causa di questi costi elevati, molte aziende di semiconduttori si affidano a fonderie indipendenti come Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) e GlobalFoundries, che hanno le competenze e le economie di scala necessarie per produrre chip di ultima generazione.

Nonostante i semiconduttori siano stati inventati negli Stati Uniti, oggi le fonderie più avanzate si trovano principalmente in Asia, in particolare a Taiwan e in Corea del Sud.