Manca un poco di blu

Illustrazione realizzata con SketchBookX

Una delle prime classificazioni che si apprendono quando si inizia a studiare il comportamento della materia di fronte all'elettricità è quella tra conduttori e isolanti: un conduttore è un materiale che permette facilmente il passaggio delle cariche elettriche, un isolante, invece, lo impedisce (o lo rende difficoltoso). E' possibile caratterizzare questi due generi di materiali attraverso le caratteristiche fisiche degli atomi che li compongono. Sappiamo, infatti, che un atomo è caratterizzato dall'avere un nucleo positivo con intorno nuvole di elettroni che ruotano intorno ad esso: a caratterizzare un materiale è proprio il comportamento degli elettroni più esterni, quelli della "banda" esterna. Le bande energetiche di ogni atomo sono, d'altra parte, caratterizzate da proprietà specifiche: esistono infatti le bande di valenza, dove si trovano gli elettroni utilizzati nei legami chimici, e le bande di conduzione, dove si trovano gli elettroni liberi di muoversi, i "cani sciolti" dell'atomo, utilizzati per i legami ionici. E', spero, semplice allora caratterizzare un materiale conduttore come quello i cui atomi presentano elettroni sia nella banda di valenza, sia in quella di conduzione, mentre un materiale isolante è caratterizzato dall'avere piena solo la banda di valenza.
Ora, nella teoria delle bande, la probabilità che un elettrone occupi una data banda è data dalla distribuzione di Fermi-Dirac: questo vuol dire che esiste comunque una probabilità non nulla che in un isolante un elettrone di valenza venga promosso a elettrone di conduzione, ma è estremamente bassa a causa della grande differenza energetica tra i due livelli. Esiste, inoltre, un livello energetico detto livello di Fermi che, mentre nei conduttori si trova all'interno della banda di conduzione, negli isolanti si trova tra le due bande, di conduzione e valenza, permettendo a un elettrone di valenza di saltare più facilmente nella banda di conduzione.

Come si vede, il livello di fermi attraversa la banda dei metalli, che nei semimetalli è una sorta di doppia banda degenere in via di separazione. Nei semiconduttori il livello si trova ad attraversare le due bande di valenza e conduzione: mentre nei semiconduttori intrinseci, come negli isolanti, si trova esattamente al centro, risulterà leggermente spostata in quelli drogati di un tipo particolare.

Se da una parte ciò fornirebbe a un elettrone della banda di valenza un gradino intermedio nella sua salita verso la banda di conduzione, in un isolante la distanza tra livello di Fermi e banda di conduzione continua a essere comunque troppo grande per ottenere una probabilità apprezzabilmente non nulla.
Come scrivevamo anni fa con Giusy Nigro e Alessandro Veltri (in una relazione per il corso di laboratorio del terzo anno di fisica), la classificazione tra conduttori e isolanti

(...) è valida quanto quella fra buoni e cattivi nella società umana. Esistono, infatti, alcuni materiali, detti semiconduttori, nei quali la differenza tra banda di valenza e banda di conduzione è molto minore rispetto agli isolanti.

Questa differenza ridotta, però, non permette al semiconduttore di essere utilizzato in proficue applicazioni: bisogna, in qualche modo, aiutare il semiconduttore a permettere il salto degli elettroni, e quindi a permettere più facilmente il passaggio della corrente elettrica. Per fare ciò bisogna drogare il semiconduttore, bisogna cioè introdurre all'interno della struttura cristallina del semiconduttore delle impurità. Queste impurità sono sostanzialmente di due tipi: si aggiungono, cioè, atomi donatori o atomi ricettori di elettroni (in quest'ultimo caso si parlerà di buche, immaginando cioè una buca al cui interno cade l'elettrone in movimento). Nel primo caso (atomi donatori) si parlerà di semiconduttore di tipo n, nel secondo caso (atomi ricettori) avremo un semiconduttore di tipo p. Uno dei semiconduttori drogati più utilizzati è sicuramente l'arseniuro di gallio, che ritroveremo tra poco, e che è costituito da gallio e arsenico.
Ad ogni modo, avvicinando due semiconduttori di tipi differenti uno all'altro si realizzerà una giunzione, che permetterà di creare una differenza di potenziale all'interno di un sistema detto diodo, che è in grado di farsi attraversare o meno dalla corrente in base alla polarizzazione del segnale elettrico che lo attraversa. Ad esempio se colleghiamo un diodo a una comune batteria, possiamo realizzare due circuiti distinti, uno a polarizzazione diretta che permette il passaggio della corrente e uno a polarizzazione inversa che impedisce il passaggio della corrente.

Schemi disegnati da Alessandro Veltri

Una particolare applicazione dei diodi sono i led, realizzati essenzialmente utilizzando l'arseniuro di gallio, che, come i laser, emettono luce monocromatica. Il primo LED a venire realizzato è stato il rosso, nel 1962, da Nick Holonyak, Jr.⁽¹⁾, all'epoca presso la General Electric Company, cui seguì nel 1972 il LED giallo di George Craford, un allievo di Holonyak.
Uno dei primi usi dei LED fu negli schermi digitali di orologi e calcolatrici, iniziando così un processo lungo mezzo secolo (a ancora non completo) verso la completa sostituzione delle lampadine elettriche inventate (più o meno!) da Edison. L'ultima parte di questo processo, infatti, prevedeva il completamento dei LED sui colori primari: al rosso e al verde, infatti, era necessario aggiungere il blu, che venne per la prima volta dimostrato nel 1994 da Shuji Nakamura⁽²⁾ della Nichia Corporation. Il diodo di Nakamura si basava sul InGaN, mentre l'anno dopo Isamu Akasaki e Hiroshi Amano⁽³⁾ completarono il lavoro studiando la struttura del GaN. I lavori dei tre ricercatori giapponesi aprono la strada verso il veloce sviluppo dei LED bianchi, e quindi verso la realizzazione di lampadine in grado di emettere una quantità di luce uguale e superiore a quella delle lampadine a incandescenza con un consumo energetico inferiore. E' infatti proprio sul risparmio energetico che pone enfasi la motivazione del Nobel per la Fisica 2014 assegnato, giustamente, a Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, e Shuji Nakamura

per l'invenzione degli efficienti diodi a luce blu che hanno permesso di illuminare e risparmiare energia con sorgenti di luce bianca

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(1) Holonyak N. & Bevacqua S.F. (1962). Coherent (visible) light emission from Ga(As1−xPx) junctions, Applied Physics Letters, 1 (4) 82. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.1753706
(2) Nakamura S., Mukai T. & Senoh M. (1994). Candela-class high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure blue-light-emitting diodes, Applied Physics Letters, 64 (13) 1687. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.111832
(3) Akasaki I., Amano H., Sota S., Sakai H., Tanaka T. & Koike M. (1995). Stimulated Emission by Current Injection from an AlGaN/GaN/GaInN Quantum Well Device, Japanese Journal of Applied Physics, 34 (11B) L1517. DOI: http://dx.doi.org/10.7567/jjap.34.l1517