Cos'è un semiconduttore?

Le sostanze che conducono l'elettricità sono note come conduttori, mentre le sostanze che non lo fanno sono note come isolanti. I semiconduttori hanno proprietà uniche che si applicano a entrambi, il che significa che in determinate condizioni possono condurre l'elettricità, mentre in altre possono resistervi. Questa classificazione unica rende i semiconduttori ideali per tecnologie come chip per computer, chip di intelligenza artificiale (AI) e dispositivi Internet of Things (IoT), che dipendono dalla conduzione di una grande quantità di energia in una piccola area. 

Nella maggior parte delle tecnologie moderne, i semiconduttori si comportano come minuscoli interruttori elettrici, che si spengono e riaccendono ripetutamente per consentire il flusso di elettricità. La conduttanza di un semiconduttore, ovvero la facilità o la difficoltà con cui una corrente elettrica lo attraversa, varia a seconda della corrente e della tensione.

I semiconduttori sono ampiamente utilizzati in molti settori, tra cui personal computer (PC), elettronica domestica, automotive, produzione industriale e molto altro. Secondo un recente rapporto della Semiconductor Industry Association (SIA), le vendite di semiconduttori sono aumentate da 139 miliardi di dollari nel 2001 a 526 miliardi di dollari nel 2023. Questo aumento corrisponde a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 6%.¹

Il rapido tasso di innovazione dell'industria dei semiconduttori può essere in gran parte attribuito alla legge di Moore, ovvero la regola secondo cui la velocità e le funzionalità dei computer raddoppiano ogni due anni. Nell'industria dei semiconduttori, la legge di Moore si applica al numero di transistor che un microchip deve contenere per stare al passo con le crescenti esigenze dei dispositivi informatici. I principali produttori cercano continuamente nuovi modi per raddoppiare il numero di transistor ogni due anni, garantendo così i progressi nella tecnologia dei semiconduttori.

La maggior parte dei semiconduttori è fatta di cristalli, a causa delle loro proprietà atomiche uniche. Mentre gli elementi conduttori più comuni hanno un singolo elettrone nel loro guscio più esterno, i semiconduttori ne hanno quattro. Questo e altri fattori rendono i cristalli semiconduttori (tipicamente silicio) perfetti per controllare le correnti elettriche alla base dei moderni e complessi dispositivi tecnologici.

Per controllare il flusso di elettricità attraverso circuiti e dispositivi elettronici, gli ingegneri manipolano il flusso di elettroni attraverso i semiconduttori, creando regioni con cariche positive e negative in un processo noto come doping.

Nella produzione di semiconduttori, il doping è un processo in cui le impurità, note anche come atomi di impurità, vengono introdotte intenzionalmente nel reticolo cristallino di un semiconduttore per modificarne le proprietà elettriche. Introducendo atomi droganti, gli ingegneri possono rendere il materiale più o meno conduttivo. Esistono due tipi di drogaggio: tipo N e tipo P.

• Drogaggio di tipo N: il drogaggio di tipo N consiste nell'aggiunta di elementi con più elettroni di valenza rispetto al materiale semiconduttore. Questo cambiamento aumenta il numero di portatori di carica liberi nell'atomo, rendendo il materiale semiconduttore più conduttivo di quanto fosse in precedenza.

• Drogaggio di tipo P: anche il drogaggio di tipo P rende il materiale più conduttivo, ma utilizzando un metodo leggermente diverso. Nel drogaggio di tipo P, vengono aggiunti elementi con meno elettroni di valenza rispetto al materiale semiconduttore, creando quello che in informatica è noto come"buco", ovvero un posto in cui mancano elettroni che in genere trasportano cariche e aumentano la conduttività.

I semiconduttori vengono solitamente classificati in due tipi principali: intrinseci ed estrinseci. Diamo uno sguardo più approfondito alle loro differenze.

• Semiconduttori intrinseci: i semiconduttori intrinseci sono semiconduttori costituiti da un unico materiale puro che non è stato manipolato in alcun modo. I semiconduttori intrinseci sono spesso chiamati semiconduttori"elementari", poiché molti di essi sono elementi ben noti nella tavola periodica, come carbonio, boro, silicio e germanio.

• Semiconduttori estrinseci: i semiconduttori estrinseci sono semiconduttori che sono stati sottoposti a drogaggio, una contaminazione intenzionale per alterare la conduttività di un materiale. I semiconduttori a radiofrequenza (RF), ad esempio, sono considerati estrinseci perché combinano materiali come arseniuro di gallio (GaAs), nitruro di gallio (GaN) e silicio (Si) che fanno funzionare i semiconduttori a frequenze radio più elevate.

I dispositivi semiconduttori sono componenti elettronici che utilizzano conduttori e isolanti per controllare il flusso di correnti elettriche. Il tipo più popolare di dispositivo semiconduttore è il transistor, un componente elettronico piccolo e resistente che alimenta la maggior parte dell'elettronica moderna.

Fino all'invenzione dei transistor nel 1947, le valvole termoioniche erano ampiamente utilizzate per lo stesso scopo. I transistor si sono dimostrati più compatti ed efficienti delle valvole termoioniche e le hanno sostituite rapidamente. I transistor sono attualmente utilizzati in un'ampia gamma di dispositivi, tra cui chip per computer, microprocessori, automobili, dispositivi robotici e molto altro. I transistor sono altamente flessibili; oltre a fungere da conduttori e isolanti, possono fungere anche da interruttori, amplificatori e raddrizzatori.

• Interruttori: componenti nei dispositivi a semiconduttore che vengono accesi o spenti per controllare il flusso di una corrente elettrica.

• Amplificatori: circuiti che aumentano l'entità di un segnale di input in un dispositivo elettronico.

• Raddrizzatori: i raddrizzatori, o diodi raddrizzatori, sono piccoli dispositivi semiconduttori che convertono le correnti elettriche dalla corrente alternata (AC) alla corrente continua (DC), consentendo all'elettricità di fluire in una direzione.

I semiconduttori sono prodotti in fonderie, aziende altamente specializzate che si concentrano esclusivamente sulla produzione di semiconduttori, lasciando la progettazione e la distribuzione ad altri. Per una serie di motivi, la maggior parte delle fonderie del mondo si trova a Taiwan.

Attualmente, il 60% dei chip semiconduttori del mondo e più del 90% dei chip avanzati sono prodotti nella relativamente piccola isola di Taiwan.² La forza lavoro altamente qualificata di Taiwan, l'invenzione del modello della fonderia per la produzione dei semiconduttori e altri fattori ne hanno determinato il dominio quasi totale nel mercato dei semiconduttori.

Forse la fonderia più conosciuta al mondo è la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), fondata nel 1987, che produce i chip più avanzati al mondo per clienti come Apple e NVIDIA. 

Il predominio di TSMC nel mercato dei semiconduttori l'ha resa una parte cruciale della supply chain globale dei semiconduttori. Di conseguenza, Taiwan è diventata un punto focale geopolitico nelle strategie di politica estera di grandi nazioni come Cina e Stati Uniti.

I semiconduttori sono realizzati attraverso un processo rigoroso, noto come fabbricazione di wafer, o wafer fab, che inizia con la suddivisione del materiale semiconduttore in un segmento sottile. Sebbene i wafer di silicio siano i più comuni, sono realizzati anche in arseniuro di gallio, carburo di silicio, germanio e altri materiali.

Dopo che il wafer è stato creato, viene lucidato e macinato attraverso una serie di macchine diverse e altamente specializzate, mentre un circuito integrato (IC) viene installato sulla sua superficie attraverso quattro fasi molto complesse.

• Fase 1. Ossidazione: prima di poter installare un IC, un wafer deve essere pre-pulito con acqua deionizzata altamente pura. Alcuni tipi di wafer, in particolare i wafer di silicio, vengono riscaldati durante questa fase ed esposti all'ossigeno puro, attraverso un metodo noto come ossidazione termica.

• Fase 2. Mascheratura: durante la parte di mascheratura della produzione di semiconduttori, le fotomaschere, ovvero stencil ad alta precisione, vengono utilizzate per creare motivi sui wafer, in un'operazione nota come fotolitografia. Ogni maschera è critica per definire i circuiti del semiconduttore e l'efficacia con cui funziona come IC.

• Fase 3. Incisione: nella parte di incisione del processo di produzione, il materiale non necessario viene rimosso dal wafer per conferirgli un motivo o una forma intenzionali. Come la mascheratura, l'incisione è importante per la creazione di circuiti integrati e di altri tipi di dispositivi con uno scopo specifico che devono essere attaccati alla superficie del wafer.

• Fase 4. Doping: per finire, i materiali semiconduttori estrinseci vengono creati aggiungendo impurità alla loro struttura cristallina, al fine di modificarne le proprietà elettriche. I composti utilizzati durante questa fase includono arseniuro di gallio, antimoniuro di indio e molti tipi di ossidi.

Negli ultimi 75 anni, i semiconduttori sono diventati fondamentali per molte tecnologie moderne. Dagli albori dell'informatica fino la diffusione di Internet, dei social media, della tecnologia mobile e dell'AI, hanno svolto un ruolo critico per consentire il funzionamento dei dispositivi elettronici. Ecco alcuni dei benefici più importanti dei semiconduttori.

I semiconduttori consentono l'uso della maggior parte dei dispositivi elettronici moderni e quindi hanno casi d'uso in molti settori. Ecco alcuni dei più comuni.

I semiconduttori e i dispositivi semiconduttori come i circuiti integrati (IC), i sensori e i chip semiconduttori sono ampiamente utilizzati in molti dispositivi elettronici di consumo. Dagli smartphone e laptop agli elettrodomestici intelligenti, fino agli assistenti virtuali, alle TV e molto altro, i semiconduttori sono alla base dei dispositivi tecnologici da cui la maggior parte dei consumatori dipende sia nella vita privata che in quella professionale.

Le auto moderne utilizzano molte funzionalità che le persone si aspettano dai loro smartphone e PC, come il riconoscimento vocale, la connettività wireless e la capacità di trasmettere diversi tipi di contenuti multimediali. I chip semiconduttori sono alla base delle tecnologie utilizzate dalle auto per supportare queste funzionalità, consentendo ai passeggeri di accedere a Internet, farsi leggere messaggi vocali e messaggi di testo ad alta voce, ricevere indicazioni stradali e molto altro.

I semiconduttori e i chip semiconduttori sono diventati cruciali in campo medico, essenziali per il funzionamento di un'ampia gamma di dispositivi e applicazioni mediche. I semiconduttori alimentano dispositivi che consentono l'imaging medico, la diagnostica, il monitoraggio dei pazienti e molto altro, consentendo la trasmissione di dati critici che aiutano a migliorare i trattamenti e gli esiti dei pazienti quasi in tempo reale.

La produzione intelligente, nota anche come Industry 4.0, è l'integrazione di nuove tecnologie digitali come l'Internet of Things (IoT), l'AI e il cloud computing nei processi di produzione. Nella produzione intelligente, i semiconduttori e i chip semiconduttori alimentano sensori avanzati, software integrati e robotica che raccolgono e analizzano i dati in un ambiente di produzione, contribuendo a semplificare processi obsoleti e inefficienti.