> Cosa c'entra la Meccanica Quantistica con i dispositivi
> a semiconduttore?

Ha fornito i concetti fondamentali per la loro ideazione e comprensione: la teoria delle bande, la distribuzione di Fermi-Dirac, la connessione tra impurezze e droganti, ecc.. Tutte cose che non si riescono a capire, anzi nemmeno ad immaginare, senza la MQ. Nelle parole di chi visse in prima persona lo sviluppo della microelettronica sin dai primi passi, "la comprensione delle proprietà [dei semiconduttori] fu possibile soltanto grazie a quelle nuove teorie della fisica, che si stavano sviluppando da oltre un decennio"¹.

Oggi questi concetti sono generalmente "incapsulati" in una teoria semplificata di alto livello e perciò a livello ingegneristico spesso possono essere dimenticati, ciò non toglie che siano fondamentali. Se i transistor ci fossero piovuti dal cielo con tanto di libretto d'istruzioni allora, forse, non avremmo avuto bisogno della MQ. Ma abbiamo dovuto inventarli.

Il concetto stesso di "buca" (in elettronica questo termine indica un livello energetico vuoto che si comporta come una carica positiva) è incomprensibile in meccanica classica, e senza di esso al transistor probabilmente non ci saremmo mai arrivati. Il gruppo della Bell arrivò ad inventare il transistor a contatti proprio perchè aveva capito il ruolo delle buche nella conduzione, mentre i concorrenti brancolavano nel buio. Il transistor tripolare, quello tradizionale, venne esplicitamente progettato da Shockley pensando alla dinamica delle buche. Inoltre la maggior difficoltà nel far funzionare i transistor consistette nel neutralizzare comportamento dei cosiddetti "stati di superficie"; e questi sono assai difficili da capire, anzi da immaginare, in un contesto classico.

Quindi la connessione è stretta: niente MQ -> niente concetto di buca (e di tante altre cose) -> niente elettronica a stato solido -> niente computer. Non è un caso se il summenzionato gruppo della Bell era costituito da fisici con una solida formazione in MQ. Uno di essi, Bardeen, anni dopo vinse un secondo Nobel (l'unica persona a vincerne due per la fisica) per la teoria della superconduttività.

D'altronde basta pensare che raddrizzatori a cristallo erano noti fin dalla fine dell' '800: per esempio la galena delle radio omonime. Ma siccome non si capiva il loro meccanismo di funzionamento non ebbero praticamente alcuna evoluzione e rimasero inaffidabili e poco riproducibili come quando erano stati scoperti. Tanto che furono rimpiazzati dai tubi a vuoto, nonostante questi ultimi fossero più pesanti, ingombranti e costosi. Negli anni '30, dopo che la MQ cominciò ad essere applicata allo stato solido, questi dispositivi vennero letteralmente rispolverati dagli scaffali e la loro evoluzione in pochi anni condusse prima ai raddrizzatori per radar (si era in tempo di guerra) e poi al transistor.

[Ringrazio Gianni Comoretto per alcuni spunti qui inclusi. La responsabilità di quanto scritto sopra rimane ovviamente del tutto mia.]

Bibliografia

1. F. Seitz e N.G. Einspruch, La storia del silicio (Bollati Boringhieri, Torino, 1998).

2. M. Riordan e L.H. Hoddeson, Crystal fire: the birth of the information age (W.W. Norton, New York, 1997).