L'elenco essenziale dei materiali elettronici

1 Introduzione

I materiali elettronici svolgono un ruolo assolutamente cruciale nel panorama in rapida evoluzione dell'elettronica moderna. Sono i mattoni fondamentali su cui si basano la funzionalità e le prestazioni di una vasta gamma di dispositivi elettronici, che vanno dagli onnipresenti smartphone e laptop alle apparecchiature aerospaziali e mediche altamente sofisticate. Questi materiali determinano le proprietà elettriche, termiche, meccaniche e ottiche dei dispositivi, dettandone così le capacità e i limiti.

Lo sviluppo e l'innovazione dei materiali elettronici sono stati la forza trainante del continuo progresso dell'industria elettronica. Con la crescente domanda di prodotti elettronici più piccoli, più veloci, più efficienti dal punto di vista energetico e altamente affidabili, la ricerca e l'utilizzo di materiali elettronici avanzati è diventata più urgente che mai. Nelle sezioni che seguono, ci imbarcheremo in un'esplorazione approfondita di diversi materiali elettronici chiave, tra cui il silicio, il carburo di silicio, il germanio, i composti di gallio, i materiali a base di carbonio, i materiali conduttivi e isolanti e i materiali magnetici. Comprendendo le loro proprietà uniche, i processi di produzione e le diverse applicazioni, possiamo ottenere una prospettiva completa sul significato e sul potenziale di questi materiali nel plasmare il futuro dell'elettronica.

2 Silicio e materiali correlati

Ilsilicio (Si), numero atomico 14, è un materiale cristallino, quasi metallico e semiconduttore, duro e fragile, presente sia in forma amorfa che cristallina e abbondante nella crosta terrestre. Il silicio ha quattro elettroni di valenza nello strato più esterno dell'atomo ed è chimicamente relativamente stabile, il che rende difficile la reazione con altre sostanze a temperatura ambiente. Come materiale semiconduttore, la conducibilità elettrica del silicio aumenta con l'aumentare della temperatura ed è ampiamente utilizzato in vari dispositivi elettronici.

Nell'estrazione e nella produzione del silicio, il silicio amorfo è solitamente ottenuto riducendo il biossido di silicio con il magnesio. Il silicio cristallino, invece, viene prodotto in un forno elettrico riducendo il biossido di silicio con il carbonio. Il silicio semiconduttore di elevata purezza può essere preparato mediante riduzione a idrogeno del cloruro di silicio. Il silicio monocristallino viene solitamente prodotto con il metodo Czochralski o con la fusione a zone (metodo FZ), mentre il silicio policristallino viene coltivato mediante solidificazione direzionale.

Il silicio ha un'ampia gamma di applicazioni nell'industria elettronica, soprattutto come substrato di chip nei circuiti integrati, dove è un materiale ideale per la produzione di transistor. Inoltre, il silicio monocristallino, il silicio policristallino e i film sottili di silicio sono ampiamente utilizzati nelle celle solari. Nel campo dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) e dei sensori, il silicio è utilizzato nella produzione di accelerometri, giroscopi e sensori di pressione. Il silicio viene utilizzato anche nell'elettronica di potenza per produrre dispositivi a semiconduttore di potenza come i MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) e gli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors). Nel campo dell'optoelettronica, i fotodiodi al silicio sono ampiamente utilizzati nei sistemi di comunicazione ottica.

I vantaggi del silicio sono l'abbondanza di riserve, l'utilizzo sostenibile, la purezza controllata e il basso costo. Tuttavia, vi sono alcuni svantaggi, come le scarse prestazioni ad alta temperatura e il bandgap ristretto, che ne limitano l'uso nelle applicazioni ad alta velocità e ad alta frequenza.

Per saperne di più: Materiali elettronici essenziali: Parte 1 - Silicio

Fig.1 Prodotti al silicio

3 Carburo di silicio (SiC)

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale semiconduttore a banda larga con elevata durezza, buona conducibilità termica, alta temperatura e resistenza alla corrosione. La sua formula chimica è SiC ed esistono diverse strutture cristalline, le più comuni sono α-SiC e β-SiC. Il carburo di silicio prodotto industrialmente presenta colori diversi a causa delle diverse impurità. Attraverso le tecniche di drogaggio, è possibile modificare la struttura dei livelli energetici e quindi regolare le proprietà elettroniche e fisiche.

I principali processi di produzione del carburo di silicio comprendono la fusione e la deposizione da vapore chimico (CVD). Il metodo di fusione forma il carburo di silicio mescolando e fondendo silicio e grafite ad alte temperature e poi raffreddandoli. La deposizione chimica da vapore deposita il SiC sulla superficie del substrato attraverso una reazione chimica in fase gassosa ed è comunemente utilizzata per produrre materiali a film sottile di alta qualità.

Il carburo di silicio è utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni. Nell'elettronica di potenza, il SiC è utilizzato nei dispositivi di conversione di potenza per migliorare l'efficienza dei veicoli elettrici e dei sistemi di energia rinnovabile. Nei dispositivi ad alta temperatura e ad alta frequenza, il SiC è adatto alle stazioni base 5G e all'elettronica militare grazie alla sua capacità di mantenere un funzionamento stabile in condizioni estreme. Inoltre, il SiC svolge un ruolo nelle applicazioni dei LED e dell'optoelettronica, inizialmente utilizzato nei LED blu e ora per il rilevamento della luce a specifiche lunghezze d'onda. Nel campo dei sensori, il SiC è comunemente utilizzato per il rilevamento in ambienti ad alta temperatura, alta pressione e radiazioni, grazie alla sua affidabilità in ambienti estremi. L'elevata affidabilità del SiC lo rende popolare anche per le applicazioni aerospaziali e di difesa.

Il vantaggio del carburo di silicio è l'eccellente prestazione ad alta temperatura, alta pressione e alta frequenza, che garantisce un'elevata efficienza di conversione energetica. Tuttavia, presenta anche alcuni svantaggi, come il costo più elevato, il complesso processo di fabbricazione e l'affidabilità dei suoi dispositivi che deve essere ulteriormente migliorata.

Per saperne di più: Materiali elettronici essenziali: Parte 2 - Carburo di silicio

Fig. 2 Chip di carburo di silicio

4 Germanio e materiali correlati

Il germanio (Ge) è un elemento semiconduttore con un numero atomico di 32 e una struttura cristallina simile a quella del diamante. Il germanio ha una densità di 5,323 g/cm³, un punto di fusione di 937,4 °C e un punto di ebollizione di 2833 °C. Come materiale semiconduttore, il germanio ha un bandgap di 0,66 eV e presenta una buona conducibilità elettrica a basse temperature, con particolare eccellenza nelle proprietà optoelettroniche nell'infrarosso. Tuttavia, il germanio ha una bassa conducibilità termica e un alto grado di fragilità, proprietà che ne limitano le prestazioni in alcune applicazioni.

Il processo di produzione del germanio è tipicamente utilizzato per preparare il germanio monocristallo con il metodo dell'imbutitura rettilinea (metodo Czochralski) e con il metodo della solidificazione a gradiente verticale (metodo VGF). Nel metodo di trafilatura rettilinea, il germanio liquido fuso viene tirato attraverso la cristallizzazione per ottenere cristalli singoli, mentre il metodo di solidificazione a gradiente verticale guida la crescita dei cristalli controllando il gradiente di temperatura per garantirne la qualità e la purezza.

Il germanio trova importanti applicazioni in diversi campi. Nell'elettronica ad alta velocità, il germanio è utilizzato nei transistor ad alta frequenza e nei dispositivi di comunicazione wireless, perché ha un'elevata mobilità degli elettroni che supporta l'elaborazione dei segnali ad alta velocità. Inoltre, il germanio è un importante materiale ottico a infrarossi ed è ampiamente utilizzato nei rivelatori a infrarossi e nei sistemi di imaging. Grazie alle sue buone proprietà optoelettroniche, il germanio viene anche drogato nelle fibre ottiche per migliorarne le prestazioni e viene utilizzato nelle comunicazioni ottiche, nei dispositivi di conversione fotovoltaica e nelle celle solari. Nei circuiti integrati, il germanio è combinato con il silicio per formare leghe che migliorano ulteriormente le prestazioni. Il germanio è utilizzato anche nella fabbricazione di laser a semiconduttore, dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) e LIDAR e ha potenziali applicazioni nel calcolo quantistico e nella tecnologia quantistica.

I principali vantaggi del germanio sono l'elevata mobilità degli elettroni, il basso bandgap, l'elevata trasmittanza nell'infrarosso e la buona compatibilità con il silicio, che lo rendono adatto all'uso in settori quali le celle solari ad alta efficienza e l'informatica quantistica. Tuttavia, presenta anche notevoli svantaggi, tra cui la bassa conduttività termica, il prezzo elevato, la difficoltà di crescita dei cristalli e la limitata scala di produzione industriale, che rappresentano una sfida per l'uso diffuso del germanio.

Per saperne di più: Materiali elettronici essenziali: Parte 3 - Germanio

Fig. 3 Il germanio per la produzione di chip

5 Composti del gallio

Ossido di gallio (Ga2O3): semiconduttore a banda larga con varie strutture cristalline, come β-Ga2O3, α-Ga2O3 e così via. È chimicamente stabile e può reagire con diverse sostanze. Può essere preparato con il metodo della riduzione diretta, della deposizione chimica da vapore e con il metodo acido. Ampiamente utilizzato nell'elettronica di potenza, nei dispositivi optoelettronici (come i rivelatori ultravioletti e i LED a luce ultravioletta profonda), nei sensori e in altri campi, la scala del mercato sta crescendo rapidamente e la catena industriale sta gradualmente migliorando.

Arseniuro di gallio (GaAs): solido grigio nero, punto di fusione 1238°C, è un importante semiconduttore composto Ⅲ-V, con struttura cristallina cubica, eccellenti proprietà elettroniche, basso rumore ed elevata tensione di breakdown. Viene preparato principalmente mediante solidificazione verticale a gradiente (VGF), trafilatura diretta incapsulata liquida (LEC), Bridgman orizzontale (HB), deposizione chimica da vapore (CVD) e altri metodi. È ampiamente utilizzato nei settori delle microonde, dell'optoelettronica, delle comunicazioni, delle celle solari, della microelettronica e in altri campi.

Nitruro di gallio (GaN): La struttura cristallina consiste in un reticolo di atomi di gallio e azoto con un ampio band gap diretto, elevata durezza, alta conducibilità termica, buona stabilità chimica e altre caratteristiche. Viene coltivato mediante reazioni di deposizione chimica da vapore, come MOCVD e altri metodi. È ampiamente utilizzato nei nuovi dispositivi elettronici (ad esempio, dispositivi ad alta potenza e ad alta frequenza), nei dispositivi optoelettronici (ad esempio, dispositivi di emissione di luce a breve lunghezza d'onda), nei sensori e in altri campi, promuovendo il relativo progresso tecnologico.

Per saperne di più: Materiali elettronici essenziali: Parte 4 - Composti del gallio

Fig. 4 Materiali semiconduttori a base di ossido di gallio

6 Materiali a base di carbonio

Grafene: struttura monostrato in cui gli atomi di carbonio sono ibridati con sp² per formare un reticolo esagonale a nido d'ape, con eccellenti proprietà ottiche, elettriche e meccaniche. Grazie all'elevata mobilità degli elettroni, ha potenziali applicazioni nei circuiti integrati, nei transistor a effetto di campo, nei diodi organici a emissione di luce, nei sensori chimici e nei dispositivi optoelettronici.

Nanotubi di carbonio (CNT): Disposti da atomi di carbonio in una struttura tubolare circolare coassiale, con proprietà elettriche uniche, suddivisi in nanotubi di carbonio metallici e semiconduttori. Possono essere utilizzati per produrre transistor a effetto di campo ad alte prestazioni, sensori elettronici, celle solari, ecc. per migliorare le prestazioni dei relativi dispositivi.

Fullereni (Fullerenes): sono molecole cave composte da atomi di carbonio, come il C60, ecc. con particolari proprietà ottiche, elettriche e chimiche. Ha importanti applicazioni nei condensatori, negli adesivi conduttivi, nelle applicazioni optoelettroniche, ecc. e può migliorare la conduttività degli elettrodi e la densità di accumulo di energia, ecc.

Per saperne di più: Materiali elettronici essenziali: Parte 5 - Materiali a base di carbonio

Fig. 5 Grafene

7 Materiali conduttivi e isolanti

Materiali conduttivi: i metalli e le leghe, grazie alla facilità dell'elettrone esterno dell'atomo metallico di formare elettroni liberi e conduttivi, hanno un'elevata conducibilità elettrica, una buona conducibilità termica e resistenza meccanica, come il rame, l'argento, l'alluminio e le sue leghe nei fili e nei cavi, nelle apparecchiature elettroniche e in altri campi; le ceramiche conduttive conducono l'elettricità attraverso la migrazione ionica o il trasporto di elettroni, sia per le alte temperature che per la resistenza alla corrosione, come l'ossido di indio-stagno (ITO) per i touch screen, ecc.il vetro conduttivo, composto da un substrato di vetro e da una pellicola conduttiva superficiale, con conduttività trasparente per celle solari, schermi di visualizzazione, ecc. Il vetro conduttivo è composto da un substrato di vetro e da un film conduttivo superficiale, con conduttività trasparente, utilizzato per celle solari, schermi, ecc.; i materiali superconduttori a una temperatura specifica hanno una resistenza pari a zero e sono completamente antimagnetici, suddivisi in superconduttività a bassa temperatura, superconduttività ad alta temperatura e altri tipi di superconduttività nella trasmissione di energia, nel settore medico, nei trasporti, nella tecnologia dell'informazione e in altri campi.

Materiali isolanti: materiali isolanti inorganici come vetro, ceramica, mica, ecc. con elevata resistività, buona resistenza al calore, resistenza meccanica e stabilità chimica, utilizzati per l'isolamento elettrico, come il vetro per gli isolatori ad alta tensione, la ceramica per l'isolamento dei trasformatori, ecc. Sono adatti a diverse apparecchiature elettroniche e ambienti.

Per saperne di più: Materiali elettronici essenziali: Parte 6 - Materiali conduttivi e isolanti

Fig. 6 Materiali ceramici elettronici

8 Materiali magnetici

Materiali magnetici duri (magneti permanenti): come le leghe di alnico, le leghe di titanio-cobalto, i magneti permanenti di cobalto delle terre rare, ecc. che possono mantenere il magnetismo per lungo tempo dopo la magnetizzazione e hanno un'alta coercitività, un'alta remanenza e un'alta energia magnetica prodotta, e sono utilizzati nei motori elettrici, nei dispositivi elettronici a vuoto e nei dispositivi a microonde.

Materiali magnetici morbidi: come i magneti morbidi in acciaio al silicio, la ferrite magnetica morbida, ecc., a bassa coercitività, alta permeabilità, facile da magnetizzare e smagnetizzare, ampiamente utilizzati in trasformatori, motori, induttori, schermature elettromagnetiche e altre apparecchiature elettroniche, in grado di ridurre la perdita di energia e migliorare l'efficienza.

Leghe magnetiche: composte da ferro e altri elementi metallici, si dividono in leghe magnetiche morbide e leghe magnetiche dure, ampiamente utilizzate nei settori dell'elettronica, delle comunicazioni, dell'energia, ecc. Le proprietà dei materiali magnetici, come la permeabilità, la densità di flusso di saturazione, la coercitività, ecc. sono fondamentali per le prestazioni dei dispositivi elettronici e svolgono un ruolo chiave negli alimentatori, nei trasformatori, nell'archiviazione dei dati, nei motori, nei sensori, nelle comunicazioni wireless e in altre apparecchiature.

Per saperne di più: Materiali elettronici essenziali: Parte 7 - Materiali magnetici

Fig. 7 Magneti NdFeB

9 Conclusioni

In conclusione, i materiali elettronici sono la base dell'elettronica moderna. Il silicio ha avuto un ruolo di primo piano, ma stanno emergendo materiali come il carburo di silicio e i composti di gallio. I materiali a base di carbonio offrono nuove opportunità. Anche i materiali conduttivi, isolanti e magnetici sono fondamentali. Le tendenze di sviluppo puntano a migliorare le prestazioni e l'affidabilità. Si cerca di migliorare materiali come il carburo di silicio e il nitruro di gallio. La ricerca sui materiali a base di carbonio si concentra sulla sintesi e sull'integrazione. La ricerca e l'innovazione continue sono fondamentali. Soddisfano le richieste esistenti e rendono possibili nuove tecnologie. L'esplorazione e l'ottimizzazione dei materiali è essenziale per il progresso dell'industria elettronica.

Stanford Advanced Materials (SAM) è un fornitore chiave di materiali elettronici di alta qualità, che supporta queste applicazioni critiche con soluzioni affidabili.