Transistor, minuscoli titani dell’elettronica

RADIO, apparecchi televisivi, apparecchi acustici di proporzioni ridotte: essi devono gran parte della loro esperienza a quei minuscoli titani dell’elettronica detti transistor. Che cosa si cela dietro queste meraviglie dell’elettronica? Le idee hanno molta relazione con un ramo della fisica detto meccanica dei quanti, che si occupa di minutissime particelle come gli atomi e gli elettroni.

Che cosa fanno i transistor? Quali sono i loro vantaggi? Come si fabbricano?

Basilarmente il transistor fa gli stessi lavori di una valvola. Molte sue applicazioni si accentrano sulla sua funzione di amplificatore. Cioè il transistor rafforza i segnali che riceve, per esempio, mediante le antenne degli apparecchi radio e della TV.

Si può pensare che questo dispositivo di amplificazione riceva una piccola quantità di un segnale elettrico da una parte del transistor, copiandolo ed emettendo grandi quantità del modello elettrico dall’altra parte. Il transistor impiegato come amplificatore riceve un’immagine elettrica sotto forma di corrente ed emette una quantità di corrente forse venti volte maggiore di quella ricevuta con lo stesso modello elettrico.

Vantaggi

Si potrebbe chiedere: Se i transistor fanno essenzialmente lo stesso lavoro di una valvola, perché occuparsene? Perché il transistor ha dei vantaggi rispetto alla sua antenata, la valvola.

Il primo vantaggio è la piccola dimensione del transistor. È circa la centesima parte di una valvola che esegue lo stesso lavoro; in altre parole, la valvola può essere grande quanto il pollice di un uomo, ma il transistor è grande quasi quanto un pisello. Grazie ai transistor, si può ottenere ogni specie di dispositivi elettronici di proporzioni ridotte.

Un altro vantaggio di questi minuscoli titani dell’elettronica è che possono funzionare con molto meno energia delle valvole. Questo perché i transistor non hanno nessun filamento riscaldante. Perché una valvola funzioni, deve avere un filamento riscaldante (come quello di un fornello elettrico solo molto più piccolo) per respingere gli elettroni dal catodo o dalla parte della valvola che emette elettroni. Il transistor non ha bisogno di tale filamento riscaldante. E giacché il transistor non produce quasi nessun calore, non si scalda. Ogni volta che una valvola si scalda, usa energia.

Altri vantaggi sono: il transistor, non avendo bisogno di un certo tempo per scaldarsi come le valvole, comincia subito a funzionare. Il transistor è anche più duraturo, giacché in esso non ci sono sottili fili sospesi come nella valvola. Di conseguenza il transistor è più sicuro. Alcuni hanno calcolato che un transistor che funzionasse tutto il giorno e tutta la notte, ogni giorno dell’anno, durerebbe da otto a dieci anni. In effetti ci sono poche ragioni per cui questi minuscoli titani dell’elettronica si consumino; comunque, urti, cambiamenti di temperatura e umidità hanno realmente un effetto sfavorevole su di essi.

A causa dei loro numerosi vantaggi, una delle cose che i transistor hanno reso possibile è il satellite delle comunicazioni. Il 3 luglio 1962 il satellite delle comunicazioni Telstar fu impiegato per trasmettere dal vivo la televisione dagli Stati Uniti all’Europa. Il Telstar riceveva segnali da una stazione terrestre negli Stati Uniti, amplificava questi segnali e quindi li ritrasmetteva così che fossero captati da un’altra distante stazione terrestre. Giacché i transistor funzionano con pochissima energia, batterie eccitate dalla luce solare poterono usarsi per produrre energia. Il satellite Telstar impiega una sola valvola, 1.064 transistor e altri dispositivi allo stato solido. In tutti i satelliti per le comunicazioni lanciati dopo il Telstar sono stati impiegati transistor. Ma di che cosa sono fatti i transistor?

Fatti di materiali semiconduttori

I materiali che conducono l’elettricità molto facilmente si chiamano conduttori. L’argento, l’alluminio e il rame, per esempio, sono conduttori. Ora, perché un certo materiale è un buon conduttore? A motivo del gran numero di elettroni liberi nel materiale. Che cosa si intende per elettroni “liberi”? Ebbene, gli elettroni sono liberi in questi materiali in quanto possono spostarsi facilmente da un atomo, che forma il conduttore, a un altro.

In contrasto con i materiali che sono buoni conduttori di elettricità, alcuni materiali sono detti isolanti. Questi materiali non hanno elettroni liberi. Come risultato, l’elettricità non vi passa facilmente. È comprensibile che tali materiali siano usati in apparecchi domestici per evitare di prendere la scossa. Pertanto abbiamo prese elettriche rivestite di gomma e interruttori della luce fatti di plastica.

C’è ancora una terza classe di materiali, un tipo di solidi detti semiconduttori. I materiali di questa classe non conducono molto bene l’elettricità e non sono nemmeno buoni isolanti. Per cui tali materiali sono detti semiconduttori. Il germanio (scoperto da un chimico tedesco e così chiamato dal nome della Germania) e il silicio sono i materiali semiconduttori più estesamente conosciuti.

Ora, perché la terza classe di materiali non vanno bene né come conduttori né come isolanti? La ragione per cui sono buoni conduttori solo per metà è che mancano di elettroni liberi. E non sono nemmeno buoni isolanti perché non ci vuole molta energia per produrre elettroni liberi. Infatti, il numero di elettroni liberi aumenta circa un milione di volte quando la temperatura viene alzata da 18 °C. sotto zero a circa 176 °C.

I transistor hanno inizio dal materiale semiconduttore cristallino puro, e poiché questo materiale è allo stato solido, in contrasto con la materia allo stato liquido e gassoso, i transistor sono detti dispositivi allo “stato solido”.

Si devono aggiungere impurità

Abbastanza stranamente, il materiale semiconduttore non può essere sottoposto a intensissimo lavoro allo stato puro; ma quando si aggiunge la giusta quantità di impurità, può fare davvero un intensissimo lavoro.

Ma perché si devono aggiungere impurità? Perché una leggera traccia di certe impurità produce alcuni elettroni liberi o assenza di elettroni. Pertanto alcune impurità non producono elettroni liberi ma piuttosto tolgono elettroni ad alcuni atomi del semiconduttore. Il risultato? La mancanza di un elettrone in un atomo. Questo si chiama vuoto. Ora, il vantaggio di un “vuoto” è che può andare da un atomo all’altro. E il flusso di questi “vuoti”, che si spostano da un atomo all’altro, forma una corrente elettrica. Il “vuoto” diviene conduttore di elettricità positiva, che è l’opposto dell’elettrone a carica negativa.

Il materiale semiconduttore che ha elettroni liberi è detto di tipo n (a motivo della carica negativa). Quando il materiale ha dei “vuoti” o mancano gli elettroni si chiama di tipo p (a motivo della carica positiva).

Facciamo un’illustrazione: Se si scioglie dell’arsenico in purissimo silicio o germanio fuso, allora c’è abbondanza di elettroni che si possono quasi considerare elettroni liberi. Il risultato è materiale di tipo n perché l’atomo di arsenico ha cinque elettroni esterni per atomo mentre il germanio ne ha solo quattro, così che c’è abbondanza di elettroni. Questi elettroni si possono eccitare con molta facilità così che divengano elettroni liberi.

Ora, che cosa accade se si aggiunge boro o alluminio al materiale semiconduttore? Ebbene, questi due elementi hanno solo tre elettroni esterni. C’è dunque scarsità di elettroni in paragone con il germanio; c’è così un “vuoto”. Il risultato è materiale di tipo p.

Fatti di strati di materiale

Un transistor, quindi, consiste di uno strato di materiale di tipo p in mezzo a due di tipo n. Si chiama transistor n-p-n. Oppure un transistor può consistere di uno strato di tipo n in mezzo a due di tipo p. Si chiama transistor p-n-p.

Le giunzioni dove questi materiali s’incontrano sono il punto dove ha luogo l’azione amplificatrice. Si possono considerare come valvole che lasciano passare liberamente o no la corrente, secondo la direzione in cui il potenziale elettrico o voltaggio è posto fra queste due giunzioni.

Microminiaturizzazione

Benché il transistor sia di piccole dimensioni e consumi poca energia in paragone con la valvola, nuove scoperte hanno permesso di ottenere dispositivi elettronici più piccoli anche di quelli possibili con i transistor. Si chiamano circuiti integrati o semplicemente ICs.

In questa nuova scoperta i transistor nonché altri elementi dei circuiti sono messi insieme in una serie di strati. Questi piccoli dispositivi sono circuiti interi anziché una sola componente (diciamo un transistor) di un circuito. I circuiti integrati permettono la microminiaturizzazione.

World Book Science Annual Science Year (1968) dice: “Gli odierni ICs sono un decimo di un pollice quadrato e hanno uno spessore di alcuni millesimi di pollice. Come i transistor, non sprecano quasi per niente energia elettrica sotto forma di calore, e così hanno bisogno di relativamente poco raffreddamento. . . . Un apparecchio televisivo fatto interamente di ICs, eccetto per il tubo a raggi catodici e l’altoparlante, starebbe in una piccola scatola di fiammiferi”.

Per illustrare la differenza fra circuiti interi e le singole componenti di un circuito, pensiamo a una scatola grande quanto un recipiente di latte da due litri. Ora un circuito contenente forse cento parti convenzionali si potrebbe mettere in quella scatola. Ma con i circuiti integrati, quante parti si potrebbero mettere in quello stesso spazio? Circa un miliardo (mille milioni).

Le nuove scoperte sono dunque davvero sorprendenti. Il progresso dell’uomo nell’arte della miniaturizzazione deve davvero molto ai transistor, quei minuscoli titani dell’elettronica. Tuttavia l’arte stessa della microminiaturizzazione non è niente di nuovo. Il Creatore dell’uomo produsse in microminiatura il cervello umano. Egli lo progettò in modo che in quello spazio si possono utilizzare circa cento miliardi (centomila milioni) di parti.