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Il Silicio, un fondamento tecnologico per l’energia rinnovabile e le analisi in laboratorio.

Si presentano in questo articolo, le caratteristiche fondamentali che rendono il silicio un materiale compatibile con moltissime applicazioni nel campo dell'elettronica, e non solo; dalle più note quali, la fabbricazione di componenti base per i circuiti microelettronici, alle più efficienti, per la produzione di energia pulita. Ad oggi il silicio è impiegato largamente nei sistemi microelettronici in generale, inoltre, nel campo scientifico e tecnologico, ha contribuito al raggiungimento di livelli altissimi di progresso. Grazie quindi al continuo avanzare, negli anni, della ricerca scientifica, questo straordinario materiale è divenuto una colonna portante del settore energetico. A riprova della grandezza e della versatilità del silicio, si illustra, nel seguito, come la combinazione vincente tra miniaturizzazione dei circuiti integrati e foto-generazione, consente al silicio di pervadere altri settori scientifici quali la biomedica e le tecnologie di laboratorio.

Dallo studio dei sistemi microelettronici e fotovoltaici, è possibile trovare gli spunti per trattare gli argomenti presenti in questo articolo. Con particolare riferimento ai sistemi fotovoltaici, si vuole fornire una spiegazione, in maniera a tratti discorsiva, a tratti più tecnica e dettagliata, di come avviene la produzione di energia elettrica a partire dallo sfruttamento dell'energia solare. Più in generale, si ritiene opportuno mettere in evidenza il ruolo fondamentale che assume il silicio, non solo nella produzione di energia elettrica e nei sistemi microelettronici integrati, ma anche in altri campi che saranno illustrati nel seguito.

Il silicio amorfo

Il silicio costituisce l' elemento base, col quale si realizzano tutti i dispositivi elettronici che utilizziamo ogni giorno! Si può affermare che il silicio costituisce uno dei fondamentali elementi per la costruzione dei moderni microprocessori. Infatti, grazie all'invenzione del diodo a giunzione, una struttura costituita da silicio sottoposto a diversi tipi di trattamento (Drogaggi), è possibile condizionare dei passaggi di carica elettrica. Grazie alla struttura a diodo è possibile costruire il componente fondamentale di un'unità di calcolo. Chiunque non abbia mai avuto a che fare con i microprocessori, si stupirebbe di quanto ormai possano essere ridotti in dimensioni.

Il tipo di silicio che viene utilizzato in quasi tutte le applicazioni, è detto amorfo per via della sua struttura molecolare, la quale non ha una disposizione ordinata. Nel seguito vengono illustrate le caratteristiche che lo rendono più versatile e adatto rispetto al suo omologo cristallino.

Tra i vantaggi del silicio amorfo, figurano i costi bassi (in relazione al silicio cristallino), sopratutto per quanto riguarda le grandi quantità e dimensioni; è per questo, infatti, che risulta adatto alla realizzazione di celle fotovoltaiche e alla produzione di dispositivi elettronici su larga scala. Un altro aspetto positivo di questo materiale risiede nelle procedure di lavorazione, infatti viene lavorato e depositato a temperature relativamente basse (sotto i 75°C), un intervallo di temperature che ne consente la deposizione su diversi tipi di materiali.

Nonostante il silicio sia il secondo elemento più comune sul nostro pianeta, è risaputo che non è possibile trovarlo puro in natura, ma deve essere estratto e depositato tramite processi non proprio economici; inoltre se si vogliono ottenere delle buone capacità ottiche dal silicio amorfo, sono necessarie ulteriori procedure di ottimizzazione del materiale, per aumentarne la conduttività.

I più esperti in materia sapranno che il silicio cristallino viene depositato attraverso dei processi di crescita più lenti ed elaborati e possiede capacità conduttive migliori, essenzialmente perché la sua struttura ordinata, favorisce la conduzione di carica più di quanto avviene nel suo omologo meno raffinato: il silicio amorfo. Le ragioni per le quali non viene impiegato per la produzione di dispositivi su larga scala, sono legate ai costi e ai limiti in materia di estensione; un cristallo di silicio, infatti, non può superare determinate estensioni superficiali, un aspetto che lo esclude dall'impiego per la produzione di celle fotovoltaiche.

Il maggiore produttore di silicio è la Cina, la quale produce attualmente cinque milioni di tonnellate di silicio, non solo destinato alla fabbricazione in scala di prodotti elettronici di larga diffusione, ma anche all'industria metallurgica e, sopratutto, alla realizzazione di moduli fotovoltaici. Attualmente la Cina detiene i due terzi della produzione mondiale di silicio, seguita da Russia, Stati Uniti e Brasile.

Fonte: (Statista)

Come viene utilizzato il silicio in Elettronica?

Il silicio amorfo viene utilizzato per costruire un elemento base dei circuiti elettronici, il Diodo. Questo componente è costituito da una giunzione P-N. Attraverso la struttura a giunzione è possibile condizionare il passaggio di corrente elettrica all'interno del diodo: la corrente è strettamente legata alla tensione applicata ai capi della giunzione. Per formare una giunzione P-N, bisogna sottoporre il silicio amorfo a dei trattamenti particolari (Drogaggi), utili per formare nella parte P un' abbondanza di lacune, che sono cariche positive, e nella parte N un abbondanza di elettroni, cariche negative. Le due parti drogate messe a contatto formano una giunzione P-N. Applicando una tensione ai capi del diodo, viene generato un campo elettrico in grado di movimentare le cariche all'interno della struttura, creando delle correnti elettriche.

diodo

Nella figura precedente, viene mostrata la curva caratteristica Tensione-Corrente approssimata del diodo. In particolare, la curva di colore rosso descrive il comportamento di un diodo ideale, il quale produce una corrente che ha la stessa intensità per valori di tensione negativa (Polarizzazione inversa), per poi crescere in corrispondenza di tensioni positive (Polarizzazione Diretta).

Questo tipo di struttura in silicio, viene usata per realizzare dei dispositivi chiamati transistor MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) a effetto di campo, i quali costituiscono i componenti fondamentali per la costruzione di un circuito logico. I transistor funzionano grazie ad [...]

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4 Commenti

  1. riky2k riky2k 30 agosto 2015
  2. Antonio Antonio 3 settembre 2015
  3. riky2k riky2k 3 settembre 2015
  4. franzcecco 7 settembre 2015

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