Semiconduttori: cosa sono e perché sono fondamentali

Smartphone, computer, auto elettriche, pannelli solari. Tutti questi irrinunciabili compagni di vita sono accomunati da qualcosa, un cuore invisibile ma fondamentale: i semiconduttori. Cosa sono? Materiali, “semplici” materiali. Dal silicio fino ai microchip più sofisticati. Elementi che non solo permettono il funzionamento in sé per sé delle tecnologie moderne, ma pongono anche sfide importanti sul piano ambientale e geopolitico, motivo per cui è importante parlarne qui oggi. La produzione di materiali semiconduttori, infatti, richiede terre rare (già da sole il paradosso della green economy) e materiali critici, la cui estrazione contribuisce alla crescita dell’inquinamento e al degrado dei suoli, andando a danneggiare quelli che già sono ecosistemi fragili. Il fatto che queste risorse si concentrino in pochi Paesi, poi, rende le catene di approvvigionamento vulnerabili e soggette a tensioni di tipo economico, un altro aspetto da tenere a mente. Non ci resta quindi che scoprire tutto ciò che riguarda i semiconduttori, da come funzionano alle possibilità di riutilizzo, se ci sono, per renderli più sostenibili e gestirli in maniera responsabile. 

Foto Freepik

Cosa sono i semiconduttori

Cominciamo come sempre da una definizione. I semiconduttori sono materiali la cui capacità di condurre elettricità, come ci lascia intuire il termine, si trova a metà strada tra quella dei conduttori, come il rame, e quella degli isolanti, come la plastica o la ceramica. Una caratteristica che li rende estremamente versatili: la loro conducibilità può essere modulata tramite l’applicazione di campi elettrici, esposizione alla luce, variazioni di temperatura o l’aggiunta di impurità tramite un processo chiamato drogaggio. In pratica, in alcune condizioni possono comportarsi come conduttori, e in altre e come isolanti.

Il silicio è il semiconduttore più diffuso, utilizzato quasi a livello universale per produrre microchip, transistor e circuiti integrati, componenti fondamentali per computer, smartphone, automobili elettriche, pannelli solari e dispositivi elettronici in generale. Ad ogni modo non è l’unico, anzi: la lista è abbastanza lunga.

Il segreto dell’importanza di questi materiali risiede nel controllo preciso del flusso di elettroni. Vale a dire: grazie ai semiconduttori, è possibile creare interruttori, amplificatori e circuiti logici, che sono alla base di tutta l’elettronica moderna. Senza di essi non esisterebbero computer, smartphone o reti elettriche intelligenti: basta questa frase per rendersi conto di quanto siano fondamentali per la vita che conduciamo oggi tutti quanti. Una giornata senza smartphone, al giorno d’oggi, sembra più una sfida che la normalità. 

La questione si fa spinosa quando si comincia a parlare di terre rare, un tema strettamente legato alla produzione di tecnologia avanzata. Compresi, per l’appunto, alcuni tipi di semiconduttori e dispositivi elettronici moderni. Non tutti i chip richiedono questi elementi, che sono “rari” non necessariamente in termini di abbondanza ma bensì in termini di estrazione economica e concentrazione geologica utile; alcuni semiconduttori di base -come quelli al silicio- si possono produrre senza. Sono molti però i componenti che dipendono da elementi di questo tipo, come neodimio, lantanidi e ittrio.

Materiali che permettono di migliorare prestazioni ed efficienza di sensori, memorie, LED, display, motori elettrici ad alta efficienza e dispositivi ottici: in pratica, più il componente è sofisticato più necessita di terre rare. E questo ci conduce a sfide ambientali e geopolitiche significative, a partire dall’estrazione che comporta impatti ecologici evitabili:

• inquinamento di suolo e acqua
• consumo eccessivo di risorse idriche
• produzione di rifiuti tossici 

Il problema è anche la disponibilità concentrata in pochi Paesi, come la Cina, che ne detiene gran parte della produzione mondiale. Cosa che genera dipendenze strategiche e rende il settore dei semiconduttori particolarmente vulnerabile a tensioni commerciali e politiche internazionali. Insomma, aumenta la complessità nella gestione della filiera tecnologica. 

Tutto ciò fa sì che ci si muova con sempre più urgenza nella ricerca di alternative più sostenibili, sia per sopperire alla questione ambientale, sia per la sicurezza economica e industriale dei Paesi importatori.

Foto Freepik

Materiali semiconduttori: quali sono

Abbiamo detto che i materiali semiconduttori sono quelli che hanno una conduttività elettrica intermedia tra conduttori e isolanti. E che, quindi, la loro proprietà fondamentale è una conducibilità modificabile tramite impurità e stimoli esterni: calore, luce, tensione elettrica. Detto questo, quali sono? 

Il più importante e diffuso è senza dubbio il silicio (Si). Lo si usa nella produzione di microchip, transistor e pannelli solari, per via delle sue eccellenti proprietà elettroniche e della sua abbondanza in natura sotto forma di quarzo. Non c’è bisogno di scomodare le terre rare per il silicio, e questo è un grande punto a suo favore. 

La lista di semiconduttori continua poi con: 

• Germanio (Ge), storicamente usato nei primi transistor. Oggi viene impiegato in applicazioni ad alta velocità e in celle solari ad alte prestazioni.

• Arseniuro di gallio (GaAs), utilizzato in circuiti ad alta frequenza, LED e dispositivi optoelettronici. Offre una maggiore velocità rispetto al silicio ma è anche più costoso.

• Fosfuro di indio (InP), usato per laser, fibre ottiche e applicazioni ad alta frequenza, grazie alla sua efficienza nella trasmissione di segnali ottici ed elettrici.

• Seleniuro di cadmio (CdSe) e solfuro di zinco (ZnS), usati in componenti optoelettronici, come LED, fotocellule e display.

• Materiali semiconduttori organici, ovvero composti basati su carbonio che si usano in dispositivi flessibili, OLED e celle solari organiche.

In pratica, i semiconduttori fondamentali per l’elettronica moderna derivano perlopiù da elementi del gruppo IV della tavola periodica (Si, Ge) e da composti III-V (GaAs, InP), scelti in base alle loro caratteristiche di conducibilità, efficienza energetica e capacità di interfacciarsi con altri materiali elettronici.

Foto Freepik

Semiconduttori ed elettronica

È evidente che l’elettronica moderna non possa stare in piedi senza i semiconduttori. Con la loro capacità di controllare il flusso di corrente elettrica, permettono la realizzazione di componenti fondamentali come transistor, diodi, circuiti integrati e microchip, alla base del funzionamento dei principali dispositivi di oggi. Senza semiconduttori non potremmo certo contare su smartphone e computer così avanzati, tantomeno su pannelli solari efficienti ed elettrodomestici smart che ci semplificano le giornate. 

E tutto questo è possibile proprio per la possibilità di drogaggio, una tecnica che sta alla base dei transistor, che funzionano come interruttori. Sono alla base dei microchip che gestiscono calcoli e comunicazioni, ma anche la “semplice” memorizzazione dei dati. 

Nei semiconduttori avanzati, in particolar modo nei dispositivi ad alte prestazioni, vengono utilizzati anche composti a base di elementi critici o terre rare, come gallio o indio. È così che si può puntare a più velocità ed efficienza energetica. Come detto, però, la loro estrazione comporta impatti che rendono la filiera dei semiconduttori un tema strategico su scala globale. Ciò non toglie che questi materiali siano il motore invisibile che alimenta l’elettronica moderna, e che senza di essi non saremmo arrivati ad avere sistemi di domotica super intelligenti e persino sistemi di guida autonoma che ci proiettano direttamente nel futuro. 

Foto Freepik

Conduttori, semiconduttori e superconduttori

Conduttori, semiconduttori e superconduttori sono tutti materiali importanti, che differiscono principalmente per la loro capacità di trasportare corrente elettrica. Caratteristica che dipende dalla struttura elettronica degli atomi che li compongono, ma anche dalle condizioni ambientali, come temperatura e pressione. Vediamone le differenze più da vicino. 

Conduttori e semiconduttori

I conduttori, come rame e alluminio, permettono il passaggio della corrente elettrica in maniera praticamente libera grazie alla presenza di elettroni liberi nel loro reticolo cristallino. Sono utilizzati soprattutto per cavi elettrici, circuiti e per tutti quei collegamenti dove è richiesta bassa resistenza. I semiconduttori, al contrario, hanno una conducibilità elettrica intermedia tra i conduttori e gli isolanti. La loro caratteristica più importante è che la conducibilità può essere controllata e modulata, introducendo impurità specifiche o applicando campi elettrici e luminosi. 

Semiconduttori e superconduttori

I superconduttori rappresentano invece un caso estremo: a temperature molto basse (vicine allo zero assoluto), la loro resistenza elettrica diventa nulla e possono condurre corrente senza perdita di energia. Questo apre a possibilità straordinarie per le applicazioni più avanzate, tra cui figurano: magneti per risonanza magnetica, trasporto di energia senza dispersioni, computer quantistici. Rispetto ai semiconduttori, i superconduttori non permettono un controllo graduale della corrente in modo semplice, ma la loro efficienza energetica è incomparabile. La ricerca attuale mira a sviluppare superconduttori a temperature più alte per rendere le tecnologie basate su di essi più pratiche e accessibili.

Foto Freepik

Utilizzo dei semiconduttori nella vita quotidiana

Non li vediamo ma sono sempre con noi: i semiconduttori sono alleati invisibili della vita quotidiana, dal momento che si trovano dentro moltissimi oggetti e sistemi che usiamo ogni giorno. Spesso, senza nemmeno rifletterci. Smartphone, computer e tablet sono l’esempio più lampante. Qui i semiconduttori costituiscono i microprocessori, le memorie e i sensori che gestiscono il funzionamento dei sistemi operativi, delle fotocamere, dei display e della connessione dati. Senza, non sarebbe possibile nemmeno chiamare.

Anche televisori e dispositivi di intrattenimento –console, smart TV- hanno chip e circuiti che elaborano segnali video e audio, permettendo la connettività a internet e gli schermi ad alta definizione che tanto ci piacciono. Sempre in casa, ci sono gli elettrodomestici moderni che ci vengono in aiuto: frigoriferi intelligenti, lavatrici, forni a microonde, climatizzatori capaci di ottimizzare i consumi e monitorare anche a distanza. 

C’è di più. Nel settore dell’energia e della mobilità, i semiconduttori sono alla base delle celle solari che convertono la luce in elettricità e dei sistemi di gestione dell’energia nelle auto elettriche, nei sistemi di guida assistita e nei sensori di sicurezza. Mentre in ambito medicale e diagnostico, dispositivi come macchine per imaging, monitor di pressione o dispositivi indossabili per il controllo dei parametri vitali si basano su componenti semiconduttori per funzionare con precisione e affidabilità, fondamentali sempre ma soprattutto in questo campo.

Tabella delle equivalenze dei semiconduttori

Vediamo ora una tabella di equivalenze tra alcuni materiali semiconduttore usati comunemente e le loro proprietà più significative. 

Per capirci di più, ci serve qualche definizione: 

• Gap di banda (eV) indica quanta energia serve per muovere gli elettroni alla banda di conduzione. Semiconduttori con gap più alto sono spesso usati in dispositivi ad alta potenza o alte temperature.
• Mobilità elettroni è una misura di quanto rapidamente gli elettroni possono muoversi attraverso il materiale sotto un campo elettrico: più mobilità può significare prestazioni più elevate in certi circuiti. 
• I materiali elementali (come Si e Ge) sono spesso usati nei circuiti digitali di base, mentre i composti (GaAs, GaN, InP, SiC) sono impiegati in settori specializzati.

Il ruolo strategico dei semiconduttori oggi

Credere che i semiconduttori oggi servano solo ai microchip per i dispositivi elettronici è decisamente riduttivo. Questi materiali sono vere e proprie infrastrutture strategiche per economie, difesa, tecnologia e sicurezza nazionale. Importanza, la loro, che deriva da più elementi interconnessi, e che li mette al centro della transizione digitale ed energetica, dal momento che abilitano tecnologie chiave come: 

• intelligenza artificiale 
• cloud computing 
• reti 5G/6G 
• guida autonoma 
• veicoli elettrici 

Senza chip avanzati molte delle innovazioni industriali e di consumo non sarebbero possibili, molto semplicemente.

Al tempo stesso, l’interdipendenza globale della catena di produzione ha messo in luce la vulnerabilità di certi sistemi industriali: basta la carenza di semiconduttori per bloccare la produzione di automobili, elettrodomestici, smartphone. Di intere infrastrutture tecnologiche, persino. E così, governi e imprese considerano sempre più la produzione di chip come un interesse di sicurezza nazionale, che ha bisogno di investimenti e politiche specifiche 

Il valore strategico dei semiconduttori si riflette anche nelle politiche pubbliche, senza dubbio. Stati Uniti e Unione Europea hanno varato leggi e piani di finanziamento per incentivare la produzione interna, per ridurre l’eccessiva dipendenza da quei pochi paesi o fornitori che ne vantano la concentrazione, come Taiwan.