Il semiconduttore è più efficiente del silicio

Computer, telefoni cellulari, satelliti, pannelli solari… Tutta l’elettronica di tutti i giorni dipende dalle proprietà semiconduttive del silicio, che in particolare consentono di costruire i microscopici transistor e interruttori a corrente controllata che sono i mattoni dei circuiti elettronici. L’industria ora ha perfettamente padroneggiato la produzione di componenti microscopici a base di silicio, un elemento ampiamente disponibile anche sulla Terra. Ma alcune proprietà di questo materiale sono scarse. La maggior parte dei semiconduttori noti presenta gli stessi o altri difetti, quindi sembra difficile trovare un’alternativa soddisfacente al silicio. Tuttavia, il team di Jang Chen del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha dimostrato che le proprietà di un altro semiconduttore, l’arseniuro di boro, superano quelle del silicio.

In un semiconduttore, quando viene applicata una tensione relativamente bassa, alcuni elettroni iniziano a ruotare liberamente nel materiale e quindi possono formare una corrente elettrica. Quando gli elettroni si muovono in una direzione, i “buchi”, cioè l’assenza di elettroni, fluiscono nell’altra direzione. Sarebbe bello avere buchi che scorrono facilmente come gli elettroni, ma tendono a muoversi più lentamente. Nel silicio, a temperatura ambiente, gli elettroni hanno una mobilità di 1400 centimetri quadrati per volt e secondo, mentre il movimento delle lacune è tre volte inferiore (450 centimetri quadrati per volt e per secondo). Troviamo lo stesso problema con l’arseniuro di gallio, che è ampiamente utilizzato nella progettazione laser.

Un altro svantaggio del silicio è che la sua conducibilità termica è molto bassa: 140 watt per metro e Kelvin. Il risultato diretto è che è difficile rimuovere il calore dal circuito elettronico in silicio, da qui la necessità di utilizzare dissipatori di calore e ventole sui processori dei computer, per evitare il surriscaldamento del sistema.

Altri materiali hanno proprietà interessanti. Il grafene, uno strato bidimensionale di carbonio, ha un’ottima mobilità di elettroni e lacune, nonché un’elevata conduttività termica … ma solo nella direzione dello strato. Il diamante sembra avere tutte le buone proprietà del movimento del portatore di carica e della conduttività termica, ma la tensione richiesta per essere applicata agli elettroni di spin è troppo alta per renderlo un buon semiconduttore.

Non è facile sostituire il silicio… Tuttavia, nel 2013, grazie a calcoli teorici, Lucas Lindsay dell’American Oak Ridge Laboratory e colleghi avevano previsto che l’arseniuro di boro cubico con un’elevata conducibilità termica, circa 1.400 W per metro e Kelvin, cioè , dieci volte Dal silicio! Questa eccezionale conduttività proverrà da alcuni modi di vibrazione del cristallo. Questa previsione è stata confermata sperimentalmente nel 2018.

E il trasporto di corrieri? Nel 2018, Jang Chen e colleghi hanno anche previsto attraverso la modellazione che l’arseniuro di boro ha un’elevata mobilità per elettroni e lacune (rispettivamente 1.400 e 2.100 centimetri quadrati per volt al secondo). Ma finora, gli esperimenti non sono riusciti a confermare questi valori. Il motivo è probabilmente dovuto alla presenza di difetti cristallini e grosse inclusioni nei campioni. Ancora più sorprendentemente, l’evoluzione della mobilità e della connettività non sembra comportarsi allo stesso modo della funzione di focalizzazione del difetto.

Utilizzando una nuova tecnica di misurazione ad alta risoluzione spaziale che sonda piccole aree senza difetti nel campione, Jang Chen e il suo team hanno verificato che, in assenza di difetti, l’arseniuro di boro mostrava sia la mobilità prevista che le proprietà di conducibilità termica.

Tuttavia, questo materiale può sostituire il silicone? La sfida resta quella di produrlo a basso costo e su larga scala eliminando le impurità che ne alterano le proprietà, visto che l’odierna industria del silicone è riuscita a raggiungere una purezza di 99,999999!