Storia del Silicio

Storia del Silicio

In questa tesi si parla di un protagonista a volte un po' dimenticato della rivoluzione digitale. Se oggi possiamo infilarci nel taschino una calcolatrice programmabile o mettere al polso un orologio che misura anche i nostri battiti cardiaci e la temperatura dell'aria, se parliamo di reti telematiche, di computer e di autostrade dell'informazione, lo dobbiamo in gran parte alle straordinarie capacità di questo nostro protagonista: il silicio. E naturalmente ai lunghi anni di lavoro di tutti quegli uomini, chimici, fisici, ingegneri, che hanno imparato a conoscere e sfruttare i suoi segreti.

Mentre il plutonio è un elemento talmente raro che in natura non si trova addirittura più e bisogna fabbricarlo con procedimenti molto complessi il silicio, invece, è un elemento abbondantissimo, costituisce più di un quarto della crosta terrestre e solo l'ossigeno lo supera in quantità. E' un materiale per così dire umile che l'uomo conosce e sfrutta da millenni. Per esempio il vetro è fatto soprattutto di ossido di silicio. Insomma vi sareste aspettati che il processore ultrapotente del vostro Pc è fatto di qualcosa che assomiglia molto a un coccio di bottiglia oppure alla sabbia?

Facciamoci raccontare la storia del silicio da Frederick Seitz . Seitz è nato nel 1911 e oggi si gode una meritata pensione come presidente emerito della Rockefeller University . Ma nella sua carriera di fisico ha vissuto da protagonista la rivoluzione del silicio e ha  scritto questa sua esperienza in un libro dal titolo ' Storia del silicio: elettronica e comunicazione ' pubblicato da Bollati-Boringhieri. Sentiamo da lui come e quando gli scienziati hanno scoperto le proprietà di questo materiale:

'L'interesse iniziale è venuto da parte dei chimici. Il silicio fu isolato per la prima volta nel 1824 dal chimico svedese Berzelius che aveva seguito il consiglio del grande chimico francese Lavoisier il quale, avendo studiato il quarzo, affermò che era composto da un elemento molto importante. Ma il silicio non ha trovato alcun utilizzo fino alla fine del secolo scorso quando il Mendeleyer ha scoperto che, se unito al ferro, sviluppava proprietà magnetiche E così è stato impiegato per gli elettromagneti e trasformatori. Da quel momento è stato prodotto chimicamente in una forma ragionevolmente pura, pari forse al 98%'.

Dopo i primi impieghi nell'industria metallurgica il silicio lasciò presto le fonderie per scopi, diciamo così, più raffinati. E fece la sua comparsa nel mondo della radiotelegrafia. Ma fu con lo sviluppo del radar, negli anni della Seconda guerra mondiale, che il silicio iniziò la sua vera carriera di imperatore dell'elettronica.

Ma il grande impatto del silicio si deve al suo impiego nella costruzione della madre di tutte le invenzioni elettroniche: il transistor . Tra l'altro, proprio nel 1998, il transistor ha spento le sue prime cinquanta candeline. Infatti fu presentato ufficialmente a New York nell'estate del 1948.Furono William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain, tre ricercatori dei Bell Telephone Laboratories a inventare questo straordinario dispositivo, e per questo vinsero il premio Nobel per la fisica nel 1956. Ma sentiamo ancora la testimonianza diretta di Frederick Seitz che visse quei giorni in prima persona:

'Stavo frequentando la Columbia University come lettore. Quell'estate, mentre facevo visita ad un professore sono stato chiamato da alcuni miei amici del laboratorio che erano venuti ad incontrarmi. Era il giugno 1948 e mi descrissero la nuova invenzione. In realtà; l' invenzione aveva avuto luogo il 23 dicembre 1947, sei mesi prima, ma avevano mantenuto il segreto finchè non era stata brevettata. Le persone coinvolte erano Bardeen, Brattain e Shockley. Io li conoscevo tutti. Bardeen e Shockley erano miei studenti, quindi li conoscevo da diversi anni; eravamo tutti amici'.

Ma torniamo a parlare del silicio. Dopo avere assistito alla scoperta e all'impiego di questo materiale in campo elettronico cerchiamo di ricostruirne l'affermazione nel settore economico e di individuare le proprietà che l'hanno reso cosi' unico. Cominciamo da quest'ultimo punto.

Il silicio è un elemento che appartiene allo stesso gruppo chimico del carbonio e di un altro attore famoso nel mondo delle tecnologie avanzate, il germanio. Quando è allo stato puro forma dei cristalli che hanno una struttura molto simile al diamante. Ma per ciò che riguarda l'elettronica, la caratteristica principale del silicio è di essere un materiale semiconduttore. In natura vi sono due grandi categorie di elementi: quelli che conducono la corrente elettrica, i conduttori appunto, e quelli invece che non la conducono, cioè gli isolanti. Il silicio, come anche il germanio, sono invece semiconduttori. Significa che in certe circostanze essi permettono il passaggio della corrente elettrica, mentre in altre si comportano come isolanti.

Le proprietà del silicio hanno determinato il suo impiego nella realizzazione dei chip. Tale lavorazione si ottiene aggiungendo al silicio puro piccolissime quantità di altre sostanze, che modificano così ulteriormente le proprietà del materiale. In questo caso si dice che il silicio viene 'drogato'. I circuiti integrati moderni sono costruiti sovrapponendo, come in un wafer, vari strati di silicio drogati in modo diverso.

E' un procedimento molto complesso e delicato. Innanzi tutto bisogna partire da un cristallo purissimo: ogni 10 milioni di atomi di silicio, al massimo uno solo può essere di un'altra sostanza. Vi sono poi varie tecniche per drogare, come si dice in gergo, il silicio puro e in seguito costruire i wafer. In certi casi ogni strato del wafer ha uno spessore di appena pochi atomi.

Per ottenere questi risultati bisogna lavorare in ambienti completamente sterili e del tutto privi di ogni disturbo. Anche solo toccare con le mani nude un cristallo di silicio potrebbe rovinarlo del tutto. Per questo gli uomini devono indossare tute che assomigliano a quelle degli astronauti e comunque la maggior parte delle operazioni viene svolta automaticamente dai robot.

Come abbiamo visto, se è vero che il silicio è di per se' un materiale umile, riuscire a costruirci dei microchip è invece una faccenda complessa e costosa. Anzi, è un vero e proprio business. A questo proposito scopriamo, come è avvenuta l' affermazione del silicio presso alcune grandi aziende.

Nel 1951, una società di Dallas che fino ad allora si era occupata soprattutto di introspezioni geologiche per l'industria del petrolio, decise che il transistor sarebbe diventato il suo nuovo business. Si chiamava, e naturalmente si chiama anche oggi, Texas Instruments Incorporated . Uno dei suoi ingegneri, Patrick Haggerty , fu tra i primi a intuire le possibilità di questo strumento.

Frederick Seitz può dirci qualcosa di interessante anche a questo proposito: 'Nel 1964 Patrick Haggerty , che era a capo della Texas Instruments , quando il transistor stava cominciando a divenire popolare, compose un saggio che appare nell'appendice del mio libro in cui scrisse che il transistor avrebbe completamente rivoluzionato tutta la comunicazione. Lui fu cauto; diceva che prima sarebbe stato necessario mettere a punto la tecnologia. Un anno dopo Gordon Moore , quando già ci trovavamo in un nuovo scenario, ripetè ciò che Haggerty aveva detto e aggiunse che i costi si sarebbero dimezzati ogni due anni , il che si è puntualmente verificato. Quindi c'erano persone lungimiranti a quel tempo. Dal 1970 ho constatato che avevamo ancora un lungo cammino da percorrere'.

Anche la International Business Machine, cioè la IBM , uno dei colossi di questo settore, che fino a quel momento fabbricava soprattutto macchinari per ufficio, decise di saltare, diciamo cosi', sul carro del silicio. L''introduzione dei transistor al silicio permise di sostituire le vecchie valvole che erano molto più grandi e consumavano molta più energia. La strada verso calcolatori sempre più piccoli, ma allo stesso tempo sempre più potenti, era ormai aperta.

Nel 1955 William Shockley , uno degli inventori del transistor, lasciò i laboratori Bell per fondare una società sua, la Shockley Transistor Corporation. Shockley era californiano e stabilì la sua società a Palo Alto. La sua fu solo la prima di una vera e propria giungla di iniziative che cominciarono a sorgere lì attorno. Tante che oggi tutta la zona è nota nel mondo intero come Silicon Valley: la valle del silicio.

Nella Silicon Valley, dunque, il mondo è in tutti i sensi dominato dall'informatica. Il transistor e tutti i circuiti sempre più piccoli che lo hanno seguito hanno ormai compiuto cinquanta anni e hanno sicuramente cambiato il mondo. Forse le possibilità del silicio stanno arrivando al loro limite. Nei laboratori si stanno studiando materiali e tecnologie che potrebbero rimpiazzare l'elettronica che conosciamo oggi. Ma chiediamo ancora una volta a Frederick Seitz, che ha vissuto tutto il passato del silicio, cosa prevede per il suo futuro:

'Io penso che gli ingegneri di oggi avranno a che fare con l'attuale tecnologia per i prossimi dieci anni. A quel punto si affermerà una nuova tecnologia, ma io sono certo che coinvolgerà comunque il silicio, in qualche modo, perché ha proprietà uniche. Non credo ci sia una altro elemento che possa sostituirlo. Ci sarebbero altri composti che possono essere usati per piccole produzioni, leggere, ma il silicio rimarrà sempre, in un modo o nell'altro, al centro dello sviluppo tecnologico'.