Transistor: i nanocristalli e le nuove tecniche produttive

I transistor a nanocristalli hanno le stesse caratteristiche dei semiconduttori classici, ma operano a voltaggi contenuti e tengono i costi bassi.

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I componenti a semiconduttore sono l'unità fondamentale di un moderno circuito elettronico. Attualmente, questi sono composti dall'integrazione dei transistor in uno stato di silicio, ma il settore tecnologico è in costante evoluzione. Gli scienziati impegnati nelle ricerche esplorano costantemente nuove tecniche di fabbricazione, altri approcci che possano bilanciare ancora meglio costi, efficienza energetica, capacità elettroniche e proprietà meccaniche. Recentemente, alcuni ricercatori hanno dimostrato che si possono fabbricare transistor ad alte prestazioni, flessibili ed efficienti a partire da strati di nanocristalli. Tale metodo ha permesso loro di inserirli sul PCB in modo molto semplice: i componenti sono messi al proprio posto mentre sono sospesi in una soluzione liquida. Questa tecnica è più economica e conveniente rispetto a quella classica, e di solito si riesce a riempire un'area più grande in minore tempo.

I transistor ad effetto di campo

Lo specifico componente su cui i ricercatori stanno effettuando ricerche si chiama field-effect transistor, o transistor ad effetto di campo se tradotto nella nostra lingua. In generale, i transistor sono dei dispositivi a semiconduttore che vengono utilizzati per amplificare o interrompere i segnali elettrici (possono fungere infatti da interruttore), che siano essi di potenza o meno. I field-effect transistor impiegano il gate, una delle loro tre parti principe, per influenzare la conduttività elettrica delle zone circuitali vicine. Il gate è isolato dal resto del transistor e, sostanzialmente, quando gli è applicato un voltaggio esso risponde generando un campo elettrico all'interno del semiconduttore. Il risultato è che la corrente può essere "attirata" o "respinta" nella regione del transistor che sta tra il source ed il drain, le altre due parti fondamentali di un dispositivo di tale tipologia. Di fatto, il voltaggio applicato al gate determinata la conduttività fra source e drain. Le tre differenti regioni sono inoltre costruite indipendentemente.

Il perché dei nanocristalli

Per ottenere il giusto mix fra le proprietà elettriche, gli scienziati hanno selezionato determinati nanocristalli d'argento, nanocristalli d'ossido di alluminio e nanocristalli al seleniuro di cadmio. Essi sono stati usati per creare rispettivamente l'elettrodo del gate, l'isolamento del gate e i livelli per i canali semiconduttori. I ricercatori hanno valutato anche dei nanocristialli inorganici per l'impiego nei dispositivi elettronici, in quanto studi passati hanno dimostrato che questi possono essere introdotti a mezzo di semplici tecniche basate sulla sospensione (ovvero, con un liquido, come detto in precedenza).
Per esempio, qualche tempo fa si è riuscito a sviluppare nanocristalli che mostravano proprietà molto simili a quelle di un metallo, quindi semiconduttive. Si scoprì anche che variare le dimensioni, la forma e la composizione di essi, portava ad un rispettivo cambio in termini di proprietà elettroniche. E' per questo motivo che i nanocristalli sono diventati presto oggetto di studio nel campo dell'elettronica. Nei primi tempi, fabbricare un transistor a nanocristalli era costoso e lento, poiché per fissarli al silicio si faceva uso di una metodologia in un ambiente sottovuoto anziché usare la sospensione. L'integrazione di nanocristalli di multiple fattezze è però ancora oggi una sfida, in quanto chimicamente sono facilmente soggetti a disturbi. E' qui che sono richieste complesse tecniche di patterning per garantire la stabilità strutturale, la compatibilità chimica e la cooperazione dei differenti nanocristalli.

Come sono stati costruiti i nuovi transistor?

In un articolo pubblicato sulla rivista Science, un team di scienziati ha descritto come risolvere gran parte delle sfide legate ai nanocristalli facendo uso di soluzioni incentrate sulla sospensione. I nanocristalli da essi utilizzati erano stati costruiti su un substrato di polimeri flessibili. Prima di tutto, i ricercatori si sono occupati di definire gli elettrodi del gate. In seguito, essi hanno applicato uno schema sulla superficie di polimeri, il quale prevedeva un livello di nanocristalli d'argento. Il passo successivo è stato quello di trattarli chimicamente, prima di passare poi all'isolamento del gate. A tale stadio, i ricercatori hanno dapprima effettuato alcune manipolazioni sul substrato, caricando elettricamente i polimeri, affinché essi potessero alterare le proprietà della superficie stessa. Questo step è stato critico per l'assemblaggio dei livelli successivi, in quanto i polimeri carichi evitano che i livelli possano staccarsi una volta composti. Gli scienziati hanno impiegato così i nanocristalli fatti di ossido di alluminio, in alternanza con gli strati polimerico, per dare vita ai livelli del gate. Infine, l'ultimo passo rimasto è stato quello relativo alla creazione dei canali semiconduttivi. Essi si sono formati dai nanocristalli al seleniuro di cadmio, che sono stati però dapprima modificati chimicamente e mixati insieme ai polimeri caricati. Questi ultimi hanno di nuovo impedito che i vari livelli si staccassero.

Transistor a nanocristalli I dispositivi basati su transistor a nanocristalli hanno dimostrato di poter lavorare a bassi voltaggi, senza andare a modificare le caratteristiche dei classici componenti a semiconduttore. Il loro comportamento è stato quindi simile a quello dei transistor comuni, e questa è la testimonianza che si possono progettare e fabbricare device competitivi sfruttando la nuova modalità. Essi sono inoltre sembrati affidabili, in quanto hanno resistito per 10 minuti ad una temperatura di 250 gradi centigradi in un ambiente costituito da azoto. Alcuni team pare stiano persino lavorando agli sviluppi avvalendosi della stampa 3D, fattore che terrebbe i prezzi ancora più sotto controllo. I transistor a nanocristalli potrebbero quindi rappresentare un’ottima opportunità per lo sviluppo su larga scala, a basso costo e flessibile di questa tecnologia.