Premio Nobel per la Fisica 2014

Premio Nobel per la Fisica 2014

Premi Nobel per la Fisica 2014 (fonte: www.nobelprize.org)

for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources

ossia, per l’invenzione di diodi ad emissioni di luce blu efficienti che hanno consentito sorgenti di luce bianca luminose e a risparmio energetico. Recita così la motivazione del Premio Nobel per la Fisica di quest’anno, conferito a Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura.

I diodi ad emissione luminosa (Light Emistting Diode, in breve LED) sono oggetti per quasi tutti ormai comuni. Basterà guardare il vostro computer per vederne qualcuno. Ma cosa sono? E come funzionano?

E, riguardo al tema dell’articolo, chi sono ‘sti tipi che hanno vinto il premio?

Partiamo dal motivo del premio: i LED a luce blu

I LED, come si legge nella sigla, sono dei diodi con particolari caratteristiche. Questi oggetti, noti agli appassionati di elettronica, sono componenti molto importanti nell’ambito dei circuiti elettronici. Ma procediamo per gradi.

Cos’è un Semiconduttore?

A scuola avrete sicuramente sentito parlare di conduttori ed isolanti elettrici. I primi hanno la caratteristica di lasciar passare la corrente elettrica, mentre i secondi tendono ad impedirne il flusso. Da un punto di vista più elementare, bisogna considerare che la materia è fatta di atomi, con elettroni, carichi negativamente, legati ad un nucleo positivo. Gli elettroni si trovano in quelle che si chiamano “bande permesse“, ossia intervalli di energia possibile, e non ne possono uscire.

Per avere un’immagine di queste bande, pensate ad una scala, e su ognuno dei gradini mettete qualche insetto, che prenderà il ruolo di un elettrone. Gli insetti saranno liberi di muoversi per il gradino ed eventualmente cadere giù. Ora immaginate che ci siano più rampe di scale che portano su uno stesso pianerottolo. Perché gli insetti possano spostarsi da una scala all’altra, devono raggiungere il pianerottolo.

Potrà, quindi, accadere che gli insetti non riescano a salire i gradini, perché questi sono troppo alti. Questo è il caso degli isolanti: le bande di energie permesse sono troppo distanti e gli elettroni non riescono a salirle per poi spostarsi negli atomi vicini perché non riescono a raccogliere l’energia sufficiente che possa permettere loro il salto da una banda all’altra, superando quella che si chiama “banda proibita“.

Altro caso è che i gradini siano molto bassi, e che gli insetti riescano a salirci su senza alcuna dificoltà. Nei conduttori, in maniera analoga, gli elettroni possono muoversi liberamente da una banda all’altra perché queste sono contigue o addirittura sovrapposte, permettendo agli elettroni di arrivare senza difficoltà a livelli di energia abbastanza elevati da sfuggire all’attrazione di un atomo per spostarsi su altri.

L’ultimo caso è quello di un’altezza dei gradini intermedia, non troppo bassi da essere molto facile per gli insetti salirci, né troppo alti per essere impossibile. Diciamo che con un colpo di vento potrebbero riuscire a salire sul gradino successivo. Questo è il caso dei semiconduttori: le bande permesse sono staccate, ma la distanza è sufficientemente piccola perché agli elettroni, con un piccolo aiuto (ad esempio per mezzo dell’energia termica oppure a causa di un campo elettrico esterno), sia permesso di passare da una banda di energia ad un’altra.

conduttori, semiconduttori, isolanti

Schema riassuntivo per conduttori, semiconduttori ed isolanti (fonte: http://it.wikipedia.org/wiki/Banda_proibita)

E con ‘ste cose cosa ci facciamo? Così come sono quasi niente, ma drogati (nome tecnico), ossia inserendo atomi di altri elementi scelti accuratamente, possiamo usarli per farci diodi.

Cos’è un Diodo?

Quelli che considereremo qui sono i cosiddetti diodi a giunzione p-n.

Ingredienti:
Un semiconduttore (come il silicio);
Atomi trivalenti, ossia che hanno solo tre elettroni nell’orbitale più esterno (ad esempio il boro);
Atomi pentavalenti, ossia che hanno solo cinque elettroni nell’orbitale più esterno (ad esempio il fosforo).

Procedimento:

Drogate (termine tecnico) un pezzo di silicio con del boro, ottenendo una zona p, ed un altro pezzo di silicio con del fosforo, ottenendo una zona n. Attaccate i due pezzi: avrete così ottenuto la vostra giunzione p-n!

Cos’ha di speciale questa giunzione? Data la natura degli elementi usati nel drogaggio, gli atomi della zona n si comportano come una fonte di elettroni, tendendo a cederli alla zona p. Quest’ultima, invece, si comporterà come una fonte di quelle che vengono chiamate “lacune“, ovvero buchi, che si comportano come se fossero cariche positive. Gli elettroni provenienti dalla zona n si combineranno con le lacune della zona p. Avremo, quindi, uno spostamento di elettroni dalla zona n alla zona p, e di lacune in senso contrario. Questo spostamento, che avviene in una zona del diodo detta “di ricombinazione“, si fermerà quando questo spostamento di cariche avrà generato un campo elettrico sufficiente ad impedire spostamenti di altre cariche.

Dove entra in gioco la natura del semiconduttore? Entra proprio nell’esistenza delle lacune: se non fosse un semiconduttore, non si avrebbe una distinzione netta tra elettroni e lacune, visto che i primi andrebbero ovunque, anche (e soprattutto) dove ci fossero lacune.

Gli elettroni nella zona n e le lacune nella zona p sono dette “cariche maggioritarie“, per dire che sono di più degli elettroni nella zona p e delle lacune nella zona n, chiamate appunto “cariche minoritarie“.

E con ciò? Il campo elettrico che si sarà instaurato all’interno del diodo avrà generato una differenza di potenziale tra le due giunzioni.

Supponiamo di inserire il diodo in un circuito in modo tale da collegare il morsetto positivo alla giunzione n e quello negativo alla giunzione p. In questo caso la differenza di potenziale tra i morsetti andrà a sommarsi a quella interna al diodo, e diremo che questo è in polarizzazione inversa. Così facendo renderemo ancora più difficile la vita agli elettroni che dalla zona n vogliano andare a colmare le lacune nella zona p, e viceversa, ma avremo comunque una piccola corrente di cariche in senso opposto a causa delle cariche minoritarie.

Ora invertiamo i morsetti (polarizzazione diretta): la differenza di potenziale tra i morsetti andrà a ridurre quella interna al diodo, facilitando lo spostamento delle cariche maggioritarie, permettendo, quindi, che fluisca corrente.

In sostanza, un diodo tende a bloccare le correnti che scorrono in un verso (polarizzazione inversa), mentre lascia libere le correnti che scorrono nell’altro (polarizzazione diretta), purché non siano troppo alte e fondano il diodo (per gli appassionati di elettronica: vi è mai successo?).

E veniamo ai LED

Nei LED il momento cruciale è quello della ricombinazione degli elettroni con le lacune. Infatti, cadendo in una lacuna, un elettrone perde energia, che sfuggirà sotto forma di fotoni. Nei diodi normali la differenza tra le due bande di energia permesse per gli elettroni non è sufficiente per generare elettroni visibili. Nei LED, invece, vengono utilizzati semiconduttori ad hoc, che permettano un salto in energia sufficiente per avere radiazione visibile.

Facciamo qualche esempio:

Per il silicio, il salto è di circa 1,12 eV. Dalla meccanica quantistica, sappiamo che a questa energia corrisponde una frequenza dei fotoni pari a \ni=E/h = 2.708 \times 10^{14} Hz, dove E è l’energia del fotone e h è la costante di Planck. Siccome la luce visibile ha frequenze comprese nell’intervalo  4 \div 7.89 \times10^{14} Hz, i fotoni irradiati da un diodo al silicio hanno una frequenza troppo bassa per essere visti.

Per l’arseniuro di gallo ed alluminio (AlGaAs), la banda proibita ha un’estensione tra 1.42 eV e 2.16 eV. In questo caso i fotoni avranno una frequenza nell’intervallo 3.433 \div 5.222 \times 10^{14} Hz, cioè un LED così costruito emette nell’infrarosso e nel rosso.

Con altri semiconduttori (fosfuro di gallio ed alluminio, seleniuro di zinco, nitruro di gallio, ecc…) si possono ottenere altri colori.

Tornando al premio Nobel, prima del LED a luce blu, oggetto del Nobel, furono prodotti altri LED, in particolare rossi e verdi. Ma è stato proprio quello blu ad avere un’importanza maggiore. Il motivo è che quest’ultimo è stato la chiave per la realizzazione di LED bianchi brillanti, in grado di essere utilizzati come fonti luminose con consumi nettamenti inferiori e longevità decisamente superiori delle classiche lampadine. La storia non si ferma qui: basta infatti pensare che per mezzo di questi LED è stato possibile progettare laser per la scrittura e la lettura più efficienti di dispositivi digitali (il nome “Blu-ray” vi dice nulla?).

Oltre alla indubbia importanza di questa invenzione, è da considerare anche la difficoltà della sua realizzazione. Infatti si sospettava che la chiave per un LED di questo tipo fosse il nitrurio di gallio, ma era necessaria una qualità così alta che molti, prima di Akasaki, Amano e Nakamura, alzarono bandiera bianca.

The winners are…

Riporto dal seguente articolo di Le Scienze: Agli inventori dei LED blu il Nobel per la fisica 2014

Isamu Akasaki, nato 1929 a Chiran, in Giappone. Si è laureato nel 1964 alla Nagoya University, in Giappone. Insegna alla Meijo University di Nagoya, e all’Università di Nagoya.

Hiroshi Amano, nato 1960 a Hamamatsu, in Giappone, si è laureato nel 1989 alla Nagoya University, dove attualmente insegna.

Shuji Nakamura, cittadino americano, nato nel 1954 a Ikata, in Giappone, si è laureato all’Università di Tokushima, in Giappone, per poi trasferirsi negli Sati Uniti, di cui ha preso la cittadinanza. Insegna all’Università della California a Santa Barbara.

Altre informazioni

Presentazione dei vincitori e dell’oggetto del Premio Nobel per la Fisica 2014

Intervista ad uno dei giudici della commissione per il conferimento del Premio Nobel

Per altre informazioni, visistate il sito NobelPrize.org

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About the author

Pasquale

Triennale in Fisica alla Federico II di Napoli e Magistrale in Astronomia ed Astrofisica a La Sapienza di Roma, ora mi ritrovo in Canada, alla University of Lethbridge, come studente di dottorato in Fisica Teorica. Il mio lavoro di ricerca al momento concerne un'estensione del principio di indeterminazione di Heisenberg, suggerita da diverse teorie di Gravità Quantistica, e l'applicazione di questa estensione a diversi sistemi quantistici, alla ricerca di nuovi fenomeni che possano essere osservati e che possano quindi permettere di fare valutazioni sulla modifica stessa e sulle teorie di di Gravità Quantistica.

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