Ci sono numerosi microprocessori e materiali particolari con proprietà chimiche e fisiche uniche che permettono il funzionamento di molte tecnologie. Tuttavia, durante la pandemia, l'approvvigionamento di questi materiali e componenti è stato messo sotto grande stress. Le aziende produttrici, nonostante le enormi richieste, spesso non sono riuscite a soddisfare la domanda quotidiana. Questa criticità è particolarmente importante, poiché questi materiali e componenti sono essenziali per tecnologie non ancora sviluppate e per la programmazione di processi tecnologici come l'intelligenza artificiale e i supercomputer di quinta generazione. Questi componenti speciali sono costituiti da materiali semiconduttori e chips, che sono alla base di praticamente ogni tecnologia che utilizziamo.
La "guerra dei chip" è una vera e propria guerra tecnologica tra Stati Uniti e Cina per il controllo dei chip e dei materiali semiconduttori, poiché sono importanti non solo per i dispositivi elettronici, ma anche per le tecnologie di intelligenza artificiale e supercomputer. Un altro grande problema è che la maggior parte dell'approvvigionamento globale di questi materiali proviene da una singola isola, Taiwan. Infatti, il 60% dei chip mondiali sono prodotti a Taiwan e il 90% dei chip di ultima generazione proviene da lì.
Attualmente, gli Stati Uniti hanno solo il 10% della produzione di chip, mentre la Corea del Sud ha circa l'8%. Il resto è prodotto a Taiwan, poiché è l'unico paese al mondo in grado di far operare le macchine che stampano questi chip. TSMC, un'azienda taiwanese, è considerata la più importante al mondo perché è l'unica che produce questi materiali. Questo processo di stampa è simile ad altri processi di produzione, ma evidenzia l'evoluzione della competizione tra Stati Uniti e Cina. Gli USA stanno cercando di impedire alla Cina di ottenere questi materiali importanti. Ad esempio, Taiwan ha smesso di esportare l'ultima generazione di chip, mentre i Paesi Bassi, che ospitano l'azienda SML, l'unica azienda al mondo che produce le macchine per la stampa dei chip, ha smesso di spedire queste macchine in Cina perchè altrimenti le aziende cinesi sarebbero in grado di approvvigionarsi da sole. I semiconduttori sono il fondamento di molti dispositivi elettronici, che possono essere prodotti da diversi produttori. Questi dispositivi saranno quindi esaminati, insieme alle criticità e alle implicazioni geopolitiche dei materiali semiconduttori e dei conduttori.
In questi giorni, la crisi in Ucraina ha creato molte tensioni tra Russia, Cina, Stati Uniti e altri paesi, rendendo la situazione molto pericolosa. Tuttavia, fino a poco tempo fa, la crisi tra Cina e Taiwan è stata una delle principali questioni geopolitiche. Queste battaglie sono spesso molto forti anche dal punto di vista interiore, con motivazioni culturali, politiche e storiche. La geopolitica mondiale si gioca sui tavoli della diplomazia, ma spesso ci sono elementi che non vediamo, come i numeri degli scambi commerciali, import ed export, le risorse naturali e la disponibilità di materie prime. Questi sono elementi di negoziazione che raramente vediamo sui giornali, ma che influenzano le decisioni dei paesi.
I conduttori sono alla base di molti dispositivi elettronici, come il transitor, e sono fondamentali per la comunicazione e le lavorazioni moderne. Esiste anche un lato legato al rapporto con l'esterno, come l'elettronica che dialoga con l'energia, in particolare con la luce, in due direzioni. Una famiglia importante di dispositivi a semiconduttore sono i LED, che emettono luce con un'efficienza molto alta, e le celle fotovoltaiche, che convertono la luce in energia elettrica. Ci sono anche altri dispositivi che sfruttano la luce, come i fotodiodi e i fototransistor. A livello molecolare, gli elettroni si distribuiscono in modo specifico, seguendo il principio di esclusione di Pauli. Questo si applica anche a livello atomico, dove gli elettroni si distribuiscono su diversi livelli energetici. Quando si ha un grande numero di atomi, si forma un materiale solido, dove gli elettroni si distribuiscono su una banda energetica continua.
A livello atomico, gli elettroni si distribuiscono su diversi livelli energetici, e questo si applica anche ai materiali solidi. Se prendiamo un solido costituito da atomi di un certo tipo, troviamo delle bande energetiche che rappresentano i livelli energetici possibili per gli elettroni. Alcune bande sono proibite per gli elettroni, che non possono acquisire quell'energia. In particolare, possiamo concentrarci su un gruppo di elementi della tavola periodica: carbonio, silicio, germanio e stagno. Questi elementi hanno struttura di valenza simile, ma le distanze tra gli atomi sono diverse, determinando lo splitting delle bande energetiche. Ad esempio, il carbonio ha distanze più ravvicinate rispetto allo stagno. La disponibilità di livelli energetici per gli elettroni dipende dalla struttura elettronica degli atomi e dei materiali e questa discontinuità di livelli (qualche elettron-Volt) è alla base della distinzione tra semiconduttori, conduttori e isolanti:
La distribuzione degli elettroni su diversi livelli energetici determina le proprietà dei materiali. Ad esempio, nel caso dello stagno, gli elettroni si distribuiscono su una banda energetica che ha una mezza banda vuota, il che facilita il movimento degli elettroni e rende il metallo un buon conduttore elettrico, ma non sono presenti piccoli gap.
In altri materiali, come isolanti, la distribuzione degli elettroni è tale da impedire il movimento degli elettroni. Ad esempio, nel caso di una struttura con molti livelli energetici proibiti, gli elettroni si trovano in stati che richiedono molta energia per essere attivati.
I semiconduttori, come il silicio e il germanio, hanno una banda energetica che permette il movimento degli elettroni se vengono fornite un po' di energia in più. Allo zero assoluto gli elettroni stanno fermi senza condurre, mentre in condizioni normali, i semiconduttori non conducono elettricità, ma se vengono eccitati, ad esempio dal sole, possono diventare conduttori.
Nel caso dei semiconduttori, la presenza di bande è un processo che può essere controllato con il drogaggio, ovvero la sostituzione di un atomo del semiconduttore con un altro che ha un elettrone in più nella sua valenza. Questo elettrone aggiuntivo è debolmente legato all'atomo originale e può diventare virtualmente libero e distaccato dalle sue bande a temperatura ambiente. Il drogaggio negativo aumenta la conducibilità del semiconduttore aggiungendo portatori di carica liberi, ovvero elettroni negativi. Tuttavia, un eccesso di drogaggio può portare alla diminuzione della conducibilità a causa del numero eccessivo di elettroni, che causa interferenze tra di loro.
Il drogaggio dei semiconduttori può essere effettuato sia con atomi che hanno un elettrone in più nella loro valenza (drogaggio di tipo n) sia con atomi che hanno un elettrone in meno (drogaggio di tipo p). Nel caso del drogaggio di tipo p, l'atomo aggiunto introduce una "vacanza" o "buca" che funge da portatore di carica positivo. Quando si uniscono due pezzi di semiconduttori drogati diversamente, si verifica un riarrangiamento delle cariche elettriche per raggiungere l'equilibrio. In particolare, si forma una giunzione p-n che ha una configurazione energetica particolare. Questa giunzione ha la proprietà di creare una regione di cariche libere nella quale gli elettroni possono muoversi liberamente da un lato all'altro della giunzione.
Quando si uniscono due semiconduttori drogati diversamente per formare una giunzione p-n, si crea una regione di cariche libere che è alla base del funzionamento dei dispositivi a semiconduttore. Se si applica una tensione esterna a questa giunzione, si può controllare il flusso di elettroni attraverso di essa. In particolare, se si applica una tensione positiva al lato p della giunzione e una tensione negativa al lato n, si accentua la piegatura delle bande energetiche e si rende più difficile il passaggio di elettroni da un lato all'altro della giunzione. Al contrario, se si applica una tensione negativa al lato p e una tensione positiva al lato n, si favorisce il passaggio di elettroni attraverso la giunzione.
Questo fenomeno è alla base del funzionamento dei diodi, che sono i dispositivi a semiconduttore più semplici. Un diodo permette il passaggio di corrente solo in una direzione, ovvero quando il polo positivo del generatore è collegato al lato p della giunzione. Inoltre, i semiconduttori possono anche essere utilizzati per convertire l'energia luminosa in energia elettrica. Quando un semiconduttore viene illuminato, gli elettroni nella banda di valenza possono saltare alla banda di conduzione, generando una corrente elettrica (questo fenomeno è alla base del funzionamento delle celle solari).
Il principio dell'effetto fotovoltaico consiste nel generare elettroni nella banda di conduzione di un semiconduttore drogato illuminandolo con luce sufficientemente energetica. Dopo che gli elettroni sono stati generati nella banda di conduzione, è importante separarli fisicamente per evitare che si ricombinino con le lacune nella banda di valenza. Questo viene fatto utilizzando una giunzione p-n, che ha la proprietà di separare le cariche elettriche. Se si illumina un semiconduttore drogato con luce solare, si può generare una corrente elettrica che viene utilizzata per alimentare dispositivi elettrici. Al contrario, se si applica una differenza di potenziale a un semiconduttore drogato, si può generare luce nel range infrarosso o visibile, a seconda dell'energia dei fotoni emessi.
Dopo che gli elettroni sono stati generati nella banda di conduzione di un semiconduttore drogato, tornano nella banda di valenza dopo un certo periodo di tempo, restituendo l'energia che avevano assorbito. Se l'energia corrisponde a quella di una radiazione visibile, si può generare luce visibile, come nel caso dei LED. Il transistor è un dispositivo a semiconduttore che permette di controllare il flusso di corrente attraverso di esso. Viene ottenuto combinando giunzioni p-n in modo da formare due regioni di tipo n e una regione di tipo p o viceversa e può essere utilizzato come amplificatore o come interruttore.
Ci sono molti materiali che possono essere utilizzati come semiconduttori, non solo il silicio e il germanio. In realtà, la combinazione di diversi elementi può produrre semiconduttori con diverse proprietà e caratteristiche. Per esempio la combinazione di arsenico e gallio (AsGa) e il nitruro di gallio (GaN). Questi materiali sono utilizzati per costruire dispositivi elettronici come i LED, che hanno rivoluzionato l'industria dell'illuminazione.
La tecnologia LED è stata talmente superiore rispetto alle precedenti tecnologie di illuminazione, come le lampade a incandescenza, che in pochi anni ha completamente ribaltato il mercato. Questo è dovuto alla loro maggiore efficienza energetica, alla lunga durata e alla possibilità di controllare il colore della luce.
Per essere utilizzati come semiconduttori, i materiali devono avere una struttura elettronica simile a quella del silicio e del germanio, che sono i materiali semiconduttori più comuni. Per questo motivo, la combinazione di elementi come il carbonio, il silicio, il germanio, l'arsenico e il gallio è molto utilizzata.
Ora invece diamo uno sguardo al silicio. Per produrlo e utilizzarlo come semiconduttore, si parte dall'ossido di silicio, che viene ridotto con un processo altamente energivoro per ottenere il silicio metallico. Il silicio è il secondo elemento più abbondante sulla Terra dopo l'ossigeno, ma è molto difficile da ottenere in forma pura perché tende a legarsi con altri elementi. Il processo più diffuso per ottenere il silicio mono cristallino utilizzato per costruire i semiconduttori è il processo Czochralski, in cui si fonde, sopra i 1000°C il silicio metallico e si tira fuori un blocco di silicio mono cristallino lentamente, orientando tutti i suoi livelli nella stessa direzione. Il blocco di silicio mono cristallino viene poi diviso in wafer (che sono gli oggetti finali su cui vengono costruiti i semiconduttori), vengono lavorati superficialmente per avere una superficie perfetta.
Esiste ancora almeno un altro processo per la produzione di semiconduttori, che è il processo di filatura della preform.
Si parte da un dischetto metallico che viene sottoposto a una serie di processi di lucidatura e incisione per ottenere una specchiatura che porta sostanzialmente alla scalatura del materiale (se si osservano gli oggetti prodotti con un microscopio elettronico a trasmissione o si effettuano misure con scanner a microonde, si possono vedere gli atomi ordinati e impastati insieme in modo preciso e uniforme).
Dopo la preparazione del wafer, si passa attraverso un processo abbastanza complesso di fotolitografia, in cui si deposita uno strato di materiale fotosensibile sulla superficie del wafer. Questo strato ha la proprietà di cambiare le sue proprietà a seconda del fatto che sia o non sia esposto alla luce.
A questo punto, viene utilizzata una maschera per esporre solo alcune parti del materiale fotosensibile alla luce, in genere utilizzando raggi ultravioletti. Le parti esposte alla luce cambiano le loro proprietà e possono essere rimosse con un solvente specifico.
Questo processo di fotolitografia consente di creare strutture tridimensionali molto precise e complesse sul wafer, che poi verranno utilizzate per la produzione di dispositivi a semiconduttore.
A quel punto, posso diffondere del materiale drogante e questo si diffonderà solo dove il produttore lo ha deciso. Oppure, posso depositare del metallo e questo metallo si deposita solo dove il materiale lo permette. In alternativa, posso eliminare il materiale di processo tramite l'uso di un sistema di incisione selettiva e questo materiale verrà rimosso solo dalle zone in cui è stato progettato per farlo. È importante capire che posso modellare la superficie dei siti di circa 700 ore. Questo avviene attraverso circa 700 step che seguono il processo appena descritto. Il risultato di questo processo è un buffer da 8 pollici.
Successivamente, vengono creati dei quadratini dalle dimensioni tipiche. Questi vengono impilati l'uno sopra l'altro per creare dispositivi complessi o semplicemente incapsulati in un materiale polimerico protettivo se abbiamo solo un dispositivo. Infine, i pin vengono aggiunti per creare i contatti con il resto dei circuiti e si ottiene così il chip. Infine, è possibile ottenere le celle in modo semplice grazie alla tecnologia dei buffer. Grazie a questa tecnologia, è possibile ottenere celle quadrate o rettangolari con una disposizione uniforme dei pixel. Ciò rende più facile e veloce la lavorazione delle immagini per applicazioni come la fotografia digitale o la videosorveglianza.
Tutto il processo è altamente automatizzato e si svolge in una camera bianca. In particolare, la deposizione del drogante viene effettuata tramite una macchina che espone il polimero ai raggi bi. Inoltre, il processo di drogaggio è rappresentato da una rappresentazione in cui solo le zone non interessanti vengono eliminate tramite diffusione. La produzione dei semiconduttori richiede una grande attenzione alla pulizia dell'ambiente di lavoro, poiché anche una minima quantità di polvere può compromettere il funzionamento dei dispositivi. Perciò, tutte le persone coinvolte nel processo di produzione indossano abiti protettivi e lavorano in ambienti a bassa polvere.
Dal punto di vista economico è importante sottolineare che negli ultimi anni, il prezzo dei semiconduttori è aumentato a causa della difficoltà delle fabbriche di tenere il passo con la domanda crescente e l'aumento dei costi di produzione. In parte c'è stato un aumento della domanda dell'industria automobilistica Europea e statunitense. Inoltre, è importante considerare anche le implicazioni geopolitiche della produzione di semiconduttori e dei loro materiali sottostanti. Ad esempio, la dipendenza da paesi esteri per la produzione di materiali critici può comportare rischi per la sicurezza e la stabilità economica.
Per produrre i dispositivi semiconduttori, è necessario utilizzare grandi quantità di silicio e altri materiali. Ciò richiede molta energia e non è banale da fare. Inoltre, la produzione di questi materiali richiede tonnellate di silicio e altri materiali come il rame, l'indio e il selenio. All'incirca serve un kg di silicio per produrre pannelli di 6m^2 che producono a mezzogiorno sotto il sole circa 1kwh. Tuttavia, i ricercatori stanno lavorando su possibili alternative ai semiconduttori tradizionali. Ad esempio, stanno esplorando l'uso di altri materiali semiconduttori, come la combinazione di quattro diversi elementi per formare un semiconduttore (ad esempio il CuInGaSe). Ci sono anche nuove tecnologie emergenti basate sulle nanotecnologie, in cui i materiali sono estremamente piccoli e fatti di varie sostanze particolari. I più diffusi sono i moduli di silicio di colore blu, ma ci sono decine di diverse tecnologie fotovoltaiche in fase di sviluppo, come le tecnologie a base di film sottili, quelle basate su altri semiconduttori, sul galio e altro ancora.
Concentrandoci sui semiconduttori, che sono uno degli elementi chiave anche per quanto riguarda gli armamenti militari. La dipendenza da questi materiali critici può comportare rischi per la sicurezza e la stabilità economica. L'approvvigionamento di questi materiali può essere problematico, in quanto la maggior parte del silicio è prodotta in Cina e ci sono rischi di interruzione della catena di approvvigionamento.
Inoltre, è importante considerare anche le implicazioni geopolitiche della produzione di semiconduttori e dei loro materiali sottostanti. Ad esempio, la dipendenza da paesi esteri per la produzione di materiali critici può comportare rischi per la sicurezza e la stabilità economica.
Per produrre semiconduttori e altre tecnologie, è necessario partire dai materiali grezzi estrarli dai minerali e processarli per renderli disponibili. Ad esempio, la sabbia viene utilizzata per produrre silicio metallico, che viene poi trasformato in wafer e in seguito in celle solari. Successivamente, queste celle vengono assemblate in moduli fotovoltaici.
Per ogni tecnologia, è importante considerare l'intera catena di approvvigionamento, che comprende l'estrazione di materiali, il processamento dei materiali grezzi, la produzione di componenti e l'assemblaggio di sistemi complessi. È essenziale lavorare per sviluppare tecnologie efficienti e sostenibili che possano ridurre la dipendenza da paesi esteri e garantire la sicurezza e la stabilità economica.
In particolare, il report dell'Unione Europea evidenzia che per alcune tecnologie, come il Data Network, l'Europa è dipendente da altre nazioni per le materie prime, ma ha la capacità di provvedere agli altri passaggi della catena di approvvigionamento. Tuttavia, se qualcun altro si scontra a livello politico e non ci fornisce più la tecnologia, l'Europa potrebbe essere in difficoltà. Questo è stato evidente anche nell'ultimo viaggio, nel aprile 2023, in Cina della presidente della Commissione dell'Unione Europea Ursula von der Leyen dove ha cercato di ridurre le tensioni accumulate nei scorsi mesi tra le due superpotenze anche a causa della crisi ucraina.
Vediamo in dettaglio la catena di approvvigionamento per le tecnologie verdi, che è complessa e richiede molti materiali, tra cui molti semiconduttori. Per esempio, per produrre moduli fotovoltaici sono necessari molti materiali critici, come il silicio, il germanio, il gallio, il fosfuro di gallio, il nitruro di gallio e molti di questi materiali sono classificati come critici o strategici, il che significa che la loro disponibilità può essere problematica. In particolare, l'indio era un materiale critico fino a poco tempo fa, ma ora con la scoperta di nuovi giacimenti non lo è più.
Dall'estrazione dei materiali dalla sabbia e poi formo silicio metallico per la fabbricazione delle celle per poi arrivare al modulo finale. In questo la Cina domina completamente tutta la catena del approvvigionamento per la fabbricazione a partire dall'estrazione dei materiali. Quindi non solo il silicio, ma tutti gli altri materiali la lavorazione. Molto lo fa in parte Taiwan.
Riprendendo quello che è scritto prima per quanto riguarda i chip è difficile pensa ad una indipendenza degli USA e dell'UE, ma anche si va a creare una sorta di sottomissione per altre richieste, per esempio a livello sociale e democratico. In un certo senso si possono creare ricatti "non ti do più il silicio metallico, non ti do più le celle fotovoltaiche, non ti do più i moduli in Europa". Cose come il cobalto, il rame, l'argento e altri materiali sono molto utilizzati nell'industria tecnologica e spesso provengono da regioni come l'Arco Andino, l'Africa e il Sud America, ma vengono poi lavorati in Cina. Ci sono anche interessi riguardanti la Bolivia e la sua produzione di litio, per esempio.
In generale, non si parla molto delle materie prime, ma se si guarda nel dettaglio, si possono trovare informazioni molto utili. Ogni passo della filiera è importante, dalla produzione delle materie prime al loro processo di lavorazione e alla fabbricazione dei componenti. Ad esempio, il Gallio, il Germanio, l'Arsenico e il Silicio Metallico sono anch'essi materiali critici per la produzione di componenti elettronici e fotovoltaici.
Va detto che sia l'Europa che gli Stati Uniti, e anche il Giappone, sono coinvolti nella produzione di tecnologie avanzate, anche se la questione delle materie prime rimane critica. È importante capire che, anche se sei molto bravo nella produzione, se la Cina decidesse di limitare l'approvvigionamento di materie prime, si avrebbero seri problemi, fino alla chiusura delle fabbriche. Questo è il vero nocciolo della questione quando si tratta di negoziare tra paesi.
In passato, ci sono stati casi in cui la politica ha avuto un ruolo importante nell'approvvigionamento delle materie prime. La Cina, ad esempio, con una politica molto chiara ha sviluppato una politica molto efficace per l'estrazione e il raffinamento, diventando il principale produttore mondiale di molte di esse. Ciò gli ha permesso di esercitare un notevole potere di negoziazione con altri paesi. Gli Stati Uniti e l'Europa, invece, sono stati costretti ad esportare molte delle loro materie prime a causa della mancanza di capacità di raffinazione interna. Tuttavia, hanno sviluppato tecnologie avanzate per utilizzare queste materie prime, diventando leader in molti settori.
Ad esempio, il prezzo del ferro a inizio 2022 è salito del 100% in soli quattro mesi, causando una crisi per molti produttori che non avevano la capacità di correre ai ripari. Questo dimostra quanto sia importante avere una politica di approvvigionamento delle materie prime efficace e sostenibile, ma questo richiede tempo e investimenti significativi. La battaglia tra Stati Uniti e Cina per la leadership nelle tecnologie elettroniche è molto complessa e coinvolge molti aspetti, come i materiali, i componenti, l'assemblaggio e i prodotti finiti.
Una delle chiavi quindi è l'apertura di riaprire miniere e fabbriche che si erano proprio chiuse in favore delle impostazioni ritenute più economiche. La transizione da un'economia lineare a un'economia circolare, basata sul riciclo e sul riutilizzo, non è facile e richiede sforzi significativi da parte di aziende e politici. La Circular Economy è un concetto interessante, ma non sempre economico. Per promuovere la transizione verso un'economia circolare, sono necessari meccanismi che rendano conveniente il riciclo e il riutilizzo dei materiali. Ad esempio, i materiali utilizzati per le batterie delle auto elettriche non possono essere facilmente riciclati, il che rappresenta una sfida per l'industria automobilistica. Tuttavia, la mobilità elettrica è destinata a crescere e sarà necessario trovare soluzioni sostenibili per la gestione dei materiali utilizzati. In poche parole innovare sempre.