A cosa servono i transistor: quali tipi e tipologie esistono, ambiti di applicazione

Per capire a cosa serve un transistor, la seguente analogia sarà di grande aiuto: se una piccola cella è un mattone in un organismo vivente, allora un transistor è un mattone nella rivoluzione digitale. Senza di essa, tutte le meraviglie tecnologiche che usiamo ogni giorno (telefoni cellulari, computer, automobili) sarebbero significativamente diverse da quelle moderne, o addirittura non esisterebbero affatto.

Panoramica storica

Prima che venissero inventati gli elementi a semiconduttore dei circuiti elettrici, i progettisti utilizzavano tubi a vuoto e interruttori meccanici per gli stessi scopi. Le lampade erano tutt'altro che ideali. Avevano bisogno di riscaldarsi prima di iniziare il lavoro, non potevano vantare affidabilità, inaffidabilità e compattezza, consumavano troppa energia. Tutti gli elettrodomestici, dai televisori ai primi computer, erano basati su di essi.

Dopo la seconda guerra mondiale, gli scienziati hanno cercato attivamente un'alternativa alle lampade e hanno trovato la risposta nelle opere di Julius Lilienfeld alla fine degli anni '20. Questo fisico polacco-americano ha depositato un brevetto per un dispositivo a tre elettrodi in solfuro di rame. Sfortunatamente, non ci sono prove che abbia effettivamente realizzato un dispositivo funzionante. Ma la sua ricerca ha contribuito a creare quello che oggi viene chiamato un transistor ad effetto di campo.

Vent'anni dopo Lilienfeld, Bell aveva un disperato bisogno di qualcosa di meglio delle lampade per i propri sistemi di comunicazione. Ha riunito un team stellare di menti scientifiche per lavorare allo studio dei sostituti degli elementi del vuoto, tra i quali c'erano:

• John Barden;
• Walter Brattain;
• William Shockley.

Nel 1947, Shockley era direttore della ricerca sui transistor alla Bell, Brattain era un'autorità nella fisica dello stato solido e Bardeen era un ingegnere elettrico e un fisico. Hanno sperimentato con successo il germanio per un anno e poco dopo Shockley ha affinato le loro idee sviluppando una giunzione a transistor. L'anno successivo, Bell annunciò al mondo di aver inventato un triodo a semiconduttore funzionante. Nel 1956, un team di scienziati ricevette il premio Nobel per la fisica per questa scoperta.

Comprendere la portata dell'invenzione e il motivo per cui sono necessari i transistor è impossibile senza rendersene conto Infatti: questi piccoli dispositivi hanno fatto uno dei più grandi balzi tecnologici in avanti umanità. E questa non è un'esagerazione: hanno davvero cambiato il corso della storia.

Schema di lavoro semplificato

I transistor sono dispositivi che controllano il movimento degli elettroni, e quindi la corrente elettrica. Per capire cosa fa un transistor, l'analogia con un rubinetto dell'acqua e il flusso del fluido è più adatta, ma, in a differenza di questi ultimi, non solo possono far passare o bloccare il flusso, ma sono anche in grado di controllarlo numero. L'uso dei transistor è estremamente ampio e si basa sul fatto che come componente elettronico può svolgere due diverse funzioni:

1. Amplificatore. In questa capacità, accetta piccole correnti elettriche su un terminale e crea correnti significative nel circuito di uscita. Questa proprietà viene utilizzata in elettronica per amplificare i segnali, grazie alla quale i transistor hanno sostituito i triodi a valvole.
2. Interruttore. A seconda della presenza o meno di un segnale all'elettrodo di controllo, è in grado di chiudere o aprire il circuito. Ecco come funzionano i chip dei computer. Ad esempio, un chip di memoria contiene centinaia di milioni o addirittura miliardi di transistor, ognuno dei quali può essere attivato o disattivato. Poiché tutti nello schema si trovano solo in uno dei due stati, possono essere i custodi delle informazioni binarie: zero o uno. Un chip di miliardi di transistor è in grado di memorizzare miliardi di zeri e uno.

Struttura basilare

Custodia, isolamento, cristallo semiconduttore, cavi metallici: questo è ciò di cui è composto un transistor. Il diverso drogaggio di un semiconduttore consente di creare due tipi della sua struttura:

• tipo p;
• tipo n.

Il cristallo stesso è un sandwich di questi due tipi, disposto in modo che due strati identici del sandwich ne contengano di opposti. A seconda della loro combinazione, il transistor è chiamato di tipo p-n-p o n-p-n. I nomi dei tre pin collegati ai layer corrispondenti sono comuni a tutti i tipi di bipolari e di campo transistor, rispettivamente, e riflettono il loro scopo (i termini usati in relazione all'effetto di campo sono indicati tra parentesi):

• base (otturatore);
• collettore (scarico);
• emettitore (sorgente).

La base (gate) riceve un segnale di controllo debole e una forte corrente di collettore (dalla sorgente allo scarico) scorre tra gli altri due pin. Quest'ultimo cambia a seconda della corrente di base. Esternamente, il transistor sembra un componente radio-elettronico con tre terminali.

Tipi e tipi

La tempistica dell'invenzione dei transistor non è stata casuale. I loro cristalli richiedono materiali semiconduttori puri per funzionare correttamente. Fu dopo la seconda guerra mondiale che i progressi della tecnologia nell'ottenere il germanio, così come i progressi nel campo la lega ha permesso di ottenere materiali adatti alla produzione in serie di semiconduttori dispositivi.

Successivamente, il silicio è stato utilizzato al posto del germanio nell'elettronica commerciale. I semiconduttori basati su di esso sono più affidabili e convenienti del germanio. Il silicio è adatto per la produzione di computer. Nei chip, i transistor non sono isolati come componenti separati, ma fanno parte di quello che viene chiamato integrato circuito e si trovano su un singolo cristallo semiconduttore insieme ad altri elementi: condensatori e resistori. I moderni dispositivi al silicio in un microchip sono così piccoli che le loro dimensioni sono misurate in nanometri.

L'evoluzione dei materiali per la fabbricazione di questi dispositivi non si ferma. Grazie ai recenti progressi, un materiale chiamato grafene potrebbe diventare la base dei triodi nel 21° secolo. Trasporta gli elettroni molto più velocemente del silicio e potrebbe costituire la base di chip per computer che sono ordini di grandezza più efficienti dei semiconduttori a base di silicio.

L'aspetto dei transistor non è limitato alla loro divisione in base al materiale cristallino. Ci sono due grandi gruppi che differiscono nei metodi di gestione:

• campo;
• bipolare.

La parola "campo" significa che il gate è controllato da un campo elettrico, cioè per cambiare la corrente tra il drain e la source, è sufficiente cambiare la tensione. E nelle reazioni bipolari, la corrente del collettore si ottiene cambiando la corrente alla base. I dispositivi bipolari sono stati utilizzati in modo massiccio negli anni '60 e '70 e sono richiesti nel nostro tempo come elementi di circuiti analogici principalmente a causa del fatto che sono facili da fabbricare e hanno un grande linearità. Il campo ha catturato quasi l'intera quota di mercato dei circuiti digitali.

Esistono altri tipi di transistor. Sono catalogati non solo dal principio di funzionamento, ma anche dalla potenza, dalle frequenze operative, dalla struttura, dall'applicazione e da altri indicatori. Lo sviluppo di questi dispositivi continua senza rallentamenti. Ad esempio, gli scienziati della Corea del Sud hanno recentemente creato una giunzione p-n composta da una singola molecola di benzene. I chip moderni generano molto calore sprecato. A questo proposito, i transistor molecolari potrebbero avere un grande futuro: possono diventare la chiave per migliorare l'efficienza energetica.

Indipendentemente dalle direzioni in cui verrà condotto lo sviluppo delle tecnologie, è ovvio che grazie alla ricerca attiva modi per migliorare i transistor, i computer diventeranno più veloci, economici e affidabili e i telefoni cellulari - ancora più leggeri e più compatto. Questi piccoli dispositivi continuano a rimodellare il panorama tecnologico e, in definitiva, la nostra società nel suo insieme. Questo è un destino meraviglioso per un semplice dispositivo inventato oltre 60 anni fa.