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Dall’elettrotecnica alla microelettronica

Come noto dai corsi di fisica, un semiconduttore è un materiale caratterizzato da un gap di energie non accessibili agli elettroni, esattamente come un isolante. La differenza rispetto agli isolanti è che tale gap di energie proibite è più piccolo e che esistono specie chimiche (dette droganti) che sono in grado di introdurre livelli elettronici all'interno di tale gap. I droganti possono quindi accrescere significativamente la densità di elettroni (o di lacune) mobili nel materiale − che quindi si comporta macroscopicamente come un cattivo isolante. L'esistenza di cristalli con simili strutture elettroniche era ben nota fin dai primi anni del XX secolo -- senza che fosse tuttavia evidente un loro impiego pratico. Fu solo nel 1947 che, principalmente ad opera di tre scienziati, Brattain, Bardeen e Shockley, operanti presso i laboratori della Bell a Murray Hill (NJ), i semiconduttori trovarono un ambito di applicazione che li rese centrali nella moderna tecnologia microelettronica. Nell’elettrotecnica della prima metà del XX secolo si era manifestata l’esigenza di dispositivi in grado di modulare un segnale elettrico. Nel campo delle telecomunicazioni, ad esempio, le radio a galena di Marconi consentivano la trasmissione di segnali (voci o altro) a lunga distanza. Tuttavia il segnale captato è generalmente assai debole, e si poneva l’esigenza di amplificarlo – cioè di moltiplicare opportunamente la corrente associata al segnale di modo da renderlo più facilmente udibile. In elettrotecnica l’amplificazione viene ottenuta impiegando le cosiddette valvole termoioniche. Le valvole termoioniche hanno così trasformato la radio di Marconi da strumento unicamente tecnico (per le comunicazioni tra le navi e tra navi e terraferma) in oggetto di svago e di informazione per il grande pubblico; e sono state un elemento chiave nella realizzazione delle prime trasmissioni televisive o, su tutt’altro versante, dei primi automatismi elettromeccanici (relé, teleruttori, macchine calcolatrici, etc.).

Il problema di fondo delle valvole termoioniche consisteva nelle loro dimensioni, tipicamente dell’ordine di una decina di centimetri. Brattain, Bardeen e Shockley scoprirono che lo stesso tipo di modulazione−amplificazione di segnale poteva essere realizzato impiegando un semiconduttore in cui venissero realizzate tre zone a drogaggio differente. Il segnale applicato ad uno dei contatti (detto base) modula la corrente che scorre tra gli altri due (rispettivamente emettitore e collettore), comportandosi quindi esattamente come una valvola termoionica. Visto diversamente, il dispositivo è una sorta di resistenza variabile in cui il valore della resistenza è determinato da un voltaggio esterno. Fu unendo quindi i termini transconductance e resistor che gli scienziati della Bell giunsero a battezzare il dispositivo con il nome di transistor. L’invenzione del transistor non solo rivoluzionò il mondo delle comunicazioni ma aprì la strada ad una delle più importanti rivoluzioni tecnologiche dell’età moderna, aprendo le porte alla cosiddetta elettronica di consumo che oggi segna la vita di tutti noi.

Le applicazioni della microelettronica non sono il solo contributo della scienza dei materiali alla nostra qualità della vita nel XX secolo. I materiali per l’energetica sono un altro significativo esempio delle potenzialità dei nuovi materiali.