Nel campo dei semiconduttori, si parla molto di materiali, dispositivi, investimenti, ecc. Ogni argomento ha un focus diverso. I materiali non sono altro che semiconduttori a banda proibita ampia di terza generazione; i dispositivi sono principalmente MOS, HEML, ecc. basati su materiali WBG, di cui abbiamo già parlato; non mi addentrerò nei dettagli su investimenti, tendenze del settore, informazioni aziendali, mercato azionario, ecc. Oggi parleremo della storia dell'industria dei semiconduttori e scopriremo le sue origini.    
           

I triodi a vuoto "creano problemi"

Parlando del triodo a vuoto, fu inventato da Lee DeForest nel 1906, rendendo possibili dispositivi elettronici di consumo come radio e televisori. Fu anche il cervello del primo computer elettronico al mondo. Occupava un'area di quasi 140 metri quadrati e pesava 30 tonnellate. Utilizzava quasi 19,000 valvole termoioniche e migliaia di resistori e condensatori. Il triodo a vuoto è composto da una griglia e due elettrodi separati dalla griglia in uno spazio sigillato con vetro. All'interno dello spazio sigillato c'è il vuoto, che impedisce ai componenti di bruciarsi e facilita il libero movimento degli elettroni.  
   
Ha due funzioni principali: commutazione e amplificazione. La commutazione consiste nell'accendere e spegnere la corrente, mentre l'amplificazione consiste nell'amplificare la corrente o i segnali deboli mantenendo le caratteristiche originali del segnale. Tuttavia, presenta una serie di svantaggi, come le dimensioni ingombranti, la facilità di allentamento dei collegamenti, la breve durata e il rapido invecchiamento.  
Questa serie di difetti portò al suo inevitabile sviluppo o alla sua sostituzione. Nel 1949, John Bardeen, Walter Brattin e William Shockley dei Bell Labs inventarono l'amplificatore elettronico realizzato con il materiale semiconduttore germanio, che rappresentò la prima generazione di transistor (questi tre scienziati vinsero il Premio Nobel per la Fisica nel 1956). Il transistor fu inizialmente chiamato "resistore di trasmissione" e in seguito fu ribattezzato transistor.  
   
Questo tipo di transistor include le funzioni di una valvola termoionica, è a stato solido, non necessita di vuoto e presenta i vantaggi di dimensioni ridotte, peso contenuto, basso consumo energetico e lunga durata. Da allora, siamo entrati nell'"era dello stato solido", che è la tecnologia che abbiamo visto più diffusamente finora.  
Lo sviluppo dal primo transistor a molti dei nostri attuali dispositivi di elettronica di potenza ha portato a una rapida evoluzione della tecnologia dell'elettronica di potenza. Questi dispositivi sono generalmente definiti dispositivi discreti, ovvero ogni chip contiene un solo componente. Un altro dispositivo correlato ai semiconduttori che non abbiamo menzionato prima sono i circuiti integrati.      
       

circuito integrato

Un circuito integrato è un dispositivo microelettronico che utilizza un determinato processo per interconnettere transistor, resistori, condensatori, induttori e altri componenti e cablaggi necessari in un circuito su un substrato semiconduttore, e quindi incapsula il tutto in un involucro tubolare per formare una microstruttura con le funzioni del circuito richieste.  
Il primo circuito integrato fu inventato da Jack Kilby della Texas Instruments, ma non aveva la forma dei circuiti integrati odierni.  
Inizialmente i componenti erano collegati tramite fili separati, ma in precedenza Jean Horni della Fairchild Camera aveva sviluppato un processo di fabbricazione planare che formava giunzioni elettroniche sulla superficie del chip per realizzare transistor, sfruttando la facilità con cui il silicio forma l'isolante ossido di silicio. Robert Noyce applicò poi questa tecnologia per collegare dispositivi discreti preformati sulla superficie del silicio, arrivando infine a definire lo schema utilizzato da tutti i circuiti integrati.  
         

Artigianato e tendenze

Dal 1947, l'industria dei semiconduttori ha iniziato a migliorare e a svilupparsi tecnologicamente, e continua a farlo ancora oggi. I miglioramenti dei processi possono essere attribuiti a due categorie: processo e struttura.  
Miglioramento dei processi: Produzione di dispositivi e circuiti in dimensioni più ridotte, che consente di ottenere una maggiore densità, quantità maggiori e un'affidabilità superiore.  
Miglioramenti strutturali: le innovazioni nella progettazione dei nuovi dispositivi consentono prestazioni migliori, un migliore controllo del consumo energetico e una maggiore affidabilità.  
Gli effetti apportati da questi due miglioramenti possono essere ben compresi ripercorrendo la storia dello sviluppo di diverse generazioni di IGBT. Naturalmente, molti dei fattori menzionati in precedenza, come alcuni difetti nel processo di fabbricazione delle apparecchiature, ecc., possono essere attribuiti ai miglioramenti del processo.  
Le dimensioni e il numero di componenti nei circuiti integrati sono due indicatori comuni dello sviluppo dei circuiti integrati. Le dimensioni del componente sono espresse dalla dimensione minima del progetto, che chiamiamo dimensione del pattern delle caratteristiche (feature pattern size). L'evoluzione dai circuiti integrati a piccola scala (SIC) agli attuali milioni di chip ha beneficiato della riduzione della dimensione del pattern delle caratteristiche di un singolo componente, resa possibile dai notevoli miglioramenti del processo di fotolitografia e della tecnologia di cablaggio multistrato. Questo argomento è molto dibattuto al giorno d'oggi, con termini come chip a 22 nm, 10 nm o persino 7 nm. Un'espressione più tecnica è larghezza del gate, ovvero la larghezza di una parte del gate stesso. Transistor più piccoli e veloci e circuiti ad alta densità traggono vantaggio da una larghezza del gate inferiore. A questo proposito, è doveroso menzionare la "Legge di Moore", che ho incontrato spesso tempo fa. Gordon Moore, uno dei fondatori di Intel, predisse nel 1965 che il numero di transistor su un chip sarebbe raddoppiato ogni 18 mesi. Dopo anni di verifiche sul campo, questo tasso si è dimostrato relativamente accurato ed è diventato la base per prevedere la densità dei transistor sui chip in futuro. In base al numero di dispositivi nel circuito, ovvero al livello di integrazione, possiamo suddividerlo in diversi livelli: integrazione su piccola scala (SSI): 2~50 unità/chip; integrazione su media scala (MSI): 50~5000 unità/chip; integrazione su larga scala (LSI): 5000~100000 pezzi/chip; integrazione su scala molto larga (VLSI): 100000~1000000 pezzi/chip; integrazione su scala molto larga (ULSI): >1000000 pezzi/chip.  
La legge di Moore non si sviluppa illimitatamente nel tempo. È limitata principalmente dai limiti dei materiali semiconduttori e dei processi di produzione. Pertanto, sentiremo spesso notizie sul fatto che il silicio, materiale semiconduttore, si sta avvicinando al suo limite. Di conseguenza, è necessario sviluppare nuovi materiali e migliorare continuamente le apparecchiature e la progettazione.  
         

dimensioni del chip e del wafer

Sappiamo tutti che i chip sono realizzati su sottili wafer di silicio o altri materiali semiconduttori.  
 
La produzione di un chip rettangolare su un wafer circolare comporta la presenza di un'area inutilizzabile sul bordo del wafer. All'aumentare delle dimensioni del chip, anche queste aree inutilizzabili diventano più estese; per questo motivo, si stanno gradualmente adottando wafer di dimensioni maggiori, che "riducono" di fatto le dimensioni del chip, migliorando al contempo l'efficienza e la produttività. Questo è uno dei motivi per cui le dimensioni dei wafer sono passate da 6 a 8 pollici e ora a 12 pollici.  
Oggi le dimensioni dei chip si riducono sempre di più, i costi diminuiscono costantemente e le prestazioni aumentano sempre di più. Ciò è dovuto ai miglioramenti dei processi e allo sviluppo delle apparecchiature menzionati in precedenza, che hanno anche portato a una concorrenza sempre più agguerrita nel settore dei semiconduttori.  
Attualmente, esistono all'incirca tre tipologie di produttori: i produttori di dispositivi integrati (IDM), che integrano progettazione, produzione, confezionamento e vendita; le fonderie, in cui la produzione dei chip è affidata ad altri fornitori; e le fabless, che si occupano esclusivamente della progettazione e della vendita dei chip, esternalizzando la maggior parte delle altre fasi. Naturalmente, esistono anche altri modelli intermedi. Allo stesso tempo, la localizzazione della produzione di semiconduttori ha portato a un numero sempre maggiore di produttori nazionali e a una crescente diffusione di modelli aziendali.  
         

scrivi alla fine

Al momento, la localizzazione dell'industria dei semiconduttori è una tendenza, e ciò dipende non solo dal numero di aziende nazionali, ma anche da quante aziende riusciranno a sopravvivere in questo contesto turbolento. Insomma, se hai tempo per cavalcare il vento e le onde, appendi le vele e attraversa il mare!