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Il Silicio è il secondo elemento più abbondante della crosta terrestre dopo l'ossigeno; è la sabbia dei nostri mari, il vetro delle nostre finestre; ma come abbiamo imparato nei nostri video precedenti è sfruttato anche per la sua caratteristica di semiconduttore, infatti è l’elemento principale di pannelli fotovoltaici, diodi, tiristori e transistor; questi ultimi in particolare (nella loro versione mosfet) sono il componente fondamentale per la realizzazione dell'unità centrale di elaborazione, quella che noi tutti conosciamo come CPU.
In questo video vedremo come è prodotta una CPU, come funziona, e perché è alla base di ogni dispositivo elettronico digitale.
Partiamo dall’infinitamente piccolo.
Tramite sofisticate tecnologie, il silicio viene purificato e viene modellato in sottili lamelle chiamate wafer, dopo di che vengono inseriti atomi di elementi diversi. Questa operazione prende il nome di Drogaggio.
In questo modo, grazie alla presenza di impurità nel suo reticolo cristallino, il silicio diventa un semiconduttore.
Il silicio appartiene al gruppo 14 della tavola periodica degli elementi e possiede quattro elettroni di valenza, formando un reticolo cristallino molto regolare . Se gli atomi droganti appartengono a elementi del gruppo 13 (quindi a tre elettroni di valenza), come boro o gallio, si ottiene un semiconduttore di tipo P e si crea una lacuna. Se invece si usano elementi del gruppo 15 (con cinque elettroni di valenza) come fosforo o arsenico, si ottiene un semiconduttore di tipo N e ci sarà un elettrone libero nel reticolo cristallino.
Un transistor Mosfet è composto:
- Da un wafer di silicio drogato come mostrato, con un parte di semiconduttore di tipo P e due di tipo N
- Da uno strato di ossido di silicio che funziona da isolante
- e da uno strato conduttivo di silicio policristallino
Sono presenti poi, tre terminali:
- quello centrale è collegato al silicio policristallino e viene chiamato “gate”
- mentre gli altri due sono collegati alle due parti di wafer di tipo N, e sono chiamati source e drain
La zona di contatto fra un semiconduttore di tipo P con uno di tipo N è detta “zona di svuotamento”.
In questa sottile zona, gli elettroni liberi dello strato N riempiranno le lacune dello strato P, creando una zona dove non ci sono elettroni liberi o lacune.
Raggiunta una situazione di equilibrio, la zona di svuotamento del lato N diventa carica positivamente e la zona del lato P diventa carica negativamente. Si genera perciò un campo elettrico, che è una barriera per un ulteriore scambio, e si comporta dunque come un isolante.
In fatti, se applichiamo una carica elettrica nei due terminali esterni, l’elettricità non può scorrere.
Se però aggiungiamo una carica elettrica anche al gate, si viene a formare un campo elettrico che attrae a se gli elettroni liberi dello strato di tipo P.
In questo modo, si viene a formare nei pressi del gate, una nuova zona di tipo N che fa da comunicazione tra source e drain e la corrente elettrica può passare.
Il transistor Mosfet può quindi gestire il passaggio di corrente e quindi accendersi e spegnersi.
Questa semplice operazione è alla base di tutta la tecnologia, dove ogni accensione o spegnimento vengono interpretati come degli 0 e degli 1 che formano i codici binari dei nostri sistemi informatici.
Ogni cpu infatti possiede miliardi di transistor disposti in maniera diversa, in modo da formare le porte logiche più disparate.
Le porte logiche messe in successione possono risolvere i problemi computazionali più difficili.
Oltretutto, ogni secondo i transistor si accendono e spengono a velocità dell’ordine del gigahertz (GHz), cioè miliardi di volte al secondo. Questa velocità è detta clock, e più è elevata, più può essere performante la cpu, a scapito delle temperature.
A questo punto i dati elaborati possono passare tramite la scheda madre alle varie componenti del pc come: scheda grafica, memoria a stato solido, controller usb, circuiti di gestione dell'alimentazione, scheda wireless, ecc…
Grazie all’avanzamento della tecnologia tutte queste periferiche si stanno incentrando in un unico chip di silicio grazie a dei System-on-a-Chip (SoC), un sistema su circuito integrato in cui un solo chip integra, oltre al processore centrale, anche alti chipset e controller come quello per la memoria RAM e della GPU.