tecnologia dei fononi nei chip elettronici

I CHIP ELETTRONICI sono sempre più densi, cioè hanno un numero di transistor maggiore ogni anno che passa. Che si tratti di processori per computer, smartphone o altri dispositivi, c’è un problema a cui devono far fronte i progettisti, vale a dire il surriscaldamento, il risultato delle interazioni tra elettroni e particelle che trasportano calore chiamate fononi.

Secondo i ricercatori del MIT queste interazioni possono giocare un ruolo chiave nell’impedire la dissipazione del calore nei chip elettronici. Nei loro esperimenti hanno infatti riscontrato che accrescendo la concentrazione degli elettroni nel silicio sale il numero di fononi dispersi, cosa che ostacola il corretto trasporto del calore.

“Quando il vostro computer è in funzione genera calore, e volete che questo calore sia dissipato, allontanato dai fononi”, ha spiegato l’autore dello studioBolin Liao. “Quando i fononi sono sparsi dagli elettroni non sono così buoni come pensavamo nel trasporto del calore. Questo crea un problema che dobbiamo risolvere con il progredire della miniaturizzazione dei chip”.

Allo stesso tempo questo effetto è benefico, non per i chip bensì per i generatori termoelettrici, dispositivi che convertono il calore direttamente in energia elettrica. In questi dispositivi la dispersione dei fononi dovrebbe migliorare le prestazioni.

Nei transistor realizzati con materiali semiconduttori come il silicio gli elettroni sono i principali responsabili della conduzione elettrica. La ragione principale per cui questi materiali hanno una resistenza elettrica limitata è l’esistenza di alcuni ostacoli al flusso di elettroni – più precisamente le interazioni con i fononi che trasportano il calore, che possono collidere con gli elettroni “gettandoli fuori dai percorsi a connduzione elettrica”.

Finora gli scienziati avevano studiato a lungo l’effetto di queste interazioni sugli stessi elettroni, ma non la loro influenza sui fononi (e quindi la dissipazione del calore). “Si riteneva che questo effetto non fosse importante”, ha spiegato Liao. “Come sappiamo dalla terza legge di Newton, a ogni azione corrisponde una reazione. Non sapevamo però in quali circostanze questo effetto diventasse rilevante”.

Prima di procedere all’esperimento i ricercatori del MIT hanno calcolato che nel silicio, il materiale più comune in elettronica, le interazioni tra elettroni e fononi disperdono fortemente i fononi quando la concentrazione di elettroni è superiore a 1019 per centimetro cubo. Hanno inoltre calcolato che la capacità del materiale di dissipare calore scende del 50% se la concentrazione degli elettroni è pari a 1021 per centimetro cubo.

Un effetto molto importante, ma finora si pensava che la riduzione della dissipazione del calore fosse legata ai difetti del materiale e non all’interazione elettrone-fonone. Difetti figli del processo di drogaggio, in cui si aggiungono al silicio elementi come fosforo e boro per aumentare la concentrazione degli elettroni.

Per separare il contributo degli elettroni senza introdurre “difetti” i ricercatori hanno così sviluppato una tecnica chiamata “three-pulse photoacoustic spectroscopy”, un’evoluzione di una tecnica già nota come “two-pulse photoacoustic spectroscopy”, in cui si puntano due laser su un materiale. L’aggiunta di un terzo laser ha permesso di aumentare la concentrazione degli elettroni senza creare difetti. Misurando l’impulso dei fononi hanno riscontrato una decadenza più rapida, ovvero hanno dimostrato che l’aumento della concentrazione di elettroni agisce nella dispersione dei fononi, attenuando la loro attività.

“Abbiamo un risultato sperimentale che concorda con i nostri calcoli precedenti. Ora possiamo dire che questo effetto può essere davvero rilevante e l’abbiamo dimostrato negli esperimenti”, ha affermato Liao. “Questo è uno dei primi esperimenti che dimostra direttamente l’effetto delle interazioni elettrone-fonone sui fononi”.

I ricercatori hanno iniziato a vedere questo effetto nel silicio con 1019 elettroni per centimetro cubo, un valore pari o persino inferiore per concentrazione rispetto ad alcuni transistor attuali. “Può diventare un serio problema quando i circuiti diventeranno più piccoli. Penso che questo effetto inizierà ad apparire persino oggi, con transistor delle dimensioni di alcuni nanometri. Dobbiamo considerarlo attentamente e pensare a come usarlo o evitarlo”.

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