7/27/2019 Mezzo Secolo Di Elettronica - Semiconduttori (1 Di 6)

1/3

30

CIN Marzo 2002

Andrea Cattania

La nascita del transistorFavorita dalle esigenze belliche, la ricerca nei settoridelle comunicazioni e dei computer conseguimportantissimi risultati negli anni 40: in quel periodofurono realizzati i primi calcolatori, fu inventato il transistore vennero poste le basi della moderna elettronica

Poco dopo la met di ottobredel 2001 la rivista scientificaNature ha dato notizia di

uno straordinario risultato, ottenuto

da un gruppo di scienziati deifamosi Laboratori Bell di LucentTechnologies (ex ATT): statorealizzato un transistor la cui lun-ghezza di canale ha le dimensionidi una molecola, dieci volte menodi quelli finora ottenuti con letecniche litografiche.

questo lultimo atto (per ora) diuna storia che ha avuto inizio pocopi di mezzo secolo fa, quando-nel 1947, sempre nei Bell Labs-tre ricercatori realizzarono il primotransistor. Ben presto si compreselimportanza di questa invenzione,che pochi anni dopo (nel 1956)valse il riconoscimento del PremioNobel per la Fisica a WilliamShochley, John Bardeen e WalterBrittain.

Lo stato dellelettronica alla metdel secolo XX

A partire dalla prima trasmissioneradio, dovuta a Guglielmo Marconi,la prima met del secolo scorso havisto un impetuoso sviluppo della

radiotecnica, basato sullapplica-zione delle valvole termoioniche.

E con le valvole si costruironoanche gli strumenti elettronici e iprimi calcolatori.

Le esigenze belliche favorironogli investimenti nella ricerca. Nel1936, per volere di Churcill, fu

realizzato in Inghilterra il calcola-tore elettromeccanico Colossus,destinato a decifrare in tempibrevissimi i messaggi criptati

dellesercito tedesco e della marinaitaliana. A questa macchina sideve laffondamento, avvenutoil 28 marzo 1941, di due nostriincrociatori pesanti e di duecacciatorpediniere.

Nel 1939 due giovani ingegneriamericani costruirono, in un capan-none nella valle di Santa Clara,

in California, un oscilla-tore audio (lHP 200A),che venne poi acquistatoda Walt Disney per lasonorizzazione del film

Fantasia. Con questainiziativa, Dave Packard eBill Hewlett diedero vitaalla societ che port illoro nome fino a pochianni fa, quando la HP-ormai ai vertici mondialitra i produttori di stru-mentazione elettronica-scorpor questa attivitcreando la Agilent Techno-logies. Lo storico garage,che si trova al 367 dellaAddison Avenue di PaloAlto, stato dichiaratomonumento nazionaledallo Stato della Californianel 1989. La valle di SantaClara oggi nota in tuttoil mondo come SiliconValley.

Risale a quel periodo anchelintroduzione del circuito stam-pato, ad opera del tedesco PaulEisler, il quale comprese che perrendere pi veloce il montaggiodelle apparecchiature elettronicheprodotte in serie sarebbe statomeglio inserire i componenti su

Fig. 1 - Bill Shockley (a sinistra), John Bardeene Walter Brittain inventori del transistor (1947)e Premio Nobel per la fisica nel 1956

Semiconduttori,integrati e processori

7/27/2019 Mezzo Secolo Di Elettronica - Semiconduttori (1 Di 6)

2/3

31

CINMarzo 2002

una base prestampata, ricavando le

piste in rame mediante un processochimico-fotografico. Anche questainnovazione trova, prima degliimpieghi civili, unimportanteapplicazione militare, per la co-struzione del circuito di esplosio-ne comandata delle munizioniantiaeree.

Gli anni 1944 - 48 sono densidi novit. I laboratori della Indu-strial Business Machines (IBM)introducono il calcolatore elet-tromeccanico Mark1, che utilizzaprogrammi registrati su nastro

perforato: ma, contemporanea-mente, il matematico americanoJohn van Neumann teorizza ilfunzionamento di una macchinache opera con programmi residentinella memoria centrale, insiemeai dati da elaborare.

Nasce lENIAC (Electronic andNumeric Integrator and Calculator),che entra in funzione in un labo-ratorio del Maryland, a fronte di unfinanziamento di mezzo milionedi dollari dellepoca da partedellesercito americano; mentre

i russi realizzano il computerMESM.Il 1948 vede anche lintroduzione

del disco a 33 giri, ad opera deltecnico statunitense Peter CarlGoldmark, e la pubblicazionedel libro La cibernetica, ovveroil controllo e la comunicazionenellanimale e nelle macchine diNorbert Wiener, un matematicoamericano figlio di emigrati russi.Questo testo introduceva un con-cetto che avrebbe cambiato lanostra civilt.

Dunque lelettronica si era svi-luppata ben prima dellavventodel transistor, determinando unaprofonda evoluzione tanto nellecomunicazioni quanto nella capa-cit di elaborare dati e segnali.

Essa aveva reso possibile larealizzazione dei primi calcolatori,anche se si trattava di unidea ginellaria da molto tempo. Non

c testo di storia dei calcolatori,infatti, che non citi almeno unavolta Pascal e Boole: il che dimostrache le idee che hanno consentitodi realizzarlo erano mature gi daqualche secolo. Ma, come sempre,tra il dire e il fare...

Dalla teoria alla pratica

Per molto tempo quello chemanc non furono le idee, mail supporto tecnologico atto arealizzarle in pratica.

Ora questo supporto venivaofferto dallelettronica, grazie allaquale la mente umana ha saputomoltiplicare di parecchi ordini digrandezza le proprie capacit dielaborazione.

Ma, se prima dellavvento deltransistor lelettronica era gi tantosviluppata, per quale motivo questopiccolo, nuovo componente considerato una pietra miliare perlera digitale?

La molla che aveva spinto scien-ziati e ricercatori a mettere a punto

unalternativa alle valvole era stata

la necessit di costruire circuiti pipiccoli, e certamente il transistorprima e il circuito integrato poirispondono egregiamente a questorequisito. Ma sarebbe riduttivolimitare a questa propriet la portatarivoluzionaria del transistor. Forsela risposta a questa domanda, comesar pi chiaro pi avanti, non puprescindere da una caratteristicache il transistor, dopo la messa apunto della tecnologia planare,presenta in misura superiore adogni altra invenzione di tutti i tempi:

quella di unificare le tecnologia,consentendo di realizzare con ilmedesimo processo industrialeoggetti che svolgono funzioni traloro molto differenti.

Le applicazionidei semiconduttori

Al cosiddetto effetto transistorgli scienziati arrivarono studiandole propriet dei semiconduttori.

Da tempo era noto il meccanismo

con cui avviene la conduzioneelettrica in un metallo come il rameo lalluminio. In ogni atomo, glielettroni ruotano attorno al nucleocome i pianeti attorno al sole. Essisono disposti su varie orbite, equelli dellorbita pi esterna sonopi degli altri liberi di muoversi,rompendo il legame che li vincolaal nucleo e formando una nubeche, sotto lazione di un campoelettrico, contribuisce al passaggiodella corrente.

Tutti i metalli presentano questacaratteristica, anche se la condu-cibilit elettrica varia da unoallaltro. Del tutto opposto ilcomportamento dei materiali chenon dispongono di cariche mobilI,che funzionano come isolanti.

Nei materiali semiconduttori,che presentano una conducibilitelettrica intermedia fra gli isolantie i conduttori, la conduzione dicorrente avviene in base a un mec-canismo un po pi complesso.

Gli elementi del quarto gruppo,come il silicio o il germanio, hannogli atomi disposti nello spazioFig. 2 - Bill Hewlett e Dave Packard,fondatori di HP (1939)

Fig. 3 - Il primo transistor planare,realizzato da Fairchild

7/27/2019 Mezzo Secolo Di Elettronica - Semiconduttori (1 Di 6)

3/3

32

CIN Marzo 2002

come i vertici di un tetraedro,i quali formano in tal modo unreticolo molto stabile. Lorbitaesterna contiene quattro elettroni,che possono rompere il legamecon il nucleo lasciando libera unaposizione corrispondente a unacarica positiva (lacuna).

Un altro elettrone pu occuparetale posizione, ristabilendo lasituazione iniziale: al crescere dellatemperatura aumenta il numerodi coppie elettroni-lacune cosgenerate, ma il materiale rimane nelcomplesso elettricamente neutro.

Proviamo ora ad immaginareche cosa accade se in un reticolocristallino di silicio si inserisceun piccolo numero di atomi diun elemento pentavalente, ovverodel quinto gruppo (con cinqueelettroni nellorbita esterna): cora un elettrone in eccesso, chepu rompere il vincolo con ilnucleo rendendosi disponibile perla conduzione.

Fig. 4 - Dispositivi integrati attualmente impiegati nelle telecomunicazioni

e nelle infrastrutture informatiche (cortesia Agilent)

Questo processo di contamina-zione del silicio puro con un altromateriale (drogaggio) genera unsilicio dotato di cariche negative(silicio di tipo N).

Analogamente, utilizzando perla contaminazione un elementotrivalente, si avrebbe non pi uneccesso, ma un difetto di elettronidi conduzione: la mancanza di unelettrone pu essere interpretatacome lesistenza di una caricapositiva, o lacuna, In questo caso, ilsilicio viene detto di tipo P.

Diodi e transistorallo stato solido

Una volta comprese le proprietelettriche dello stato solido, sipens di sfruttarle per realizzarenuovi componenti. Mettendo acontatto una zona di silicio P conuna di silicio N si ottenne unagiunzione capace di raddrizzare un

segnale di tensione o di corrente.

Infatti, se il silicio P viene portatoa un potenziale superiore a quellodel silicio N (polarizzazionediretta), le cariche disponibiliper la conduzione in ogni areavengono attratte dallarea opposta,generando un passaggio di corrente:mentre non c alcun passaggiodi corrente nel caso opposto(polarizzazione inversa). Era nato ildiodo allo stato solido, che sostiturapidamente in molte applicazionii diodi a vuoto.

Il cosiddetto effetto transistor

si ottiene con una struttura nellaquale due diodi allo stato solidosono collegati in modo tale daavere in comune la zona P (o lazona N), costituita da uno stratomolto sottile. Nel primo caso siha un transistor NPN, nel secondoun PNP.

La piccola dimensione della zonacentrale, denominata base, fa sche la corrente che attraversa lagiunzione polarizzata direttamenteattraversi (se non tutta, almenoin gran parte) anche la seconda

giunzione, che si trova in condizionidi polarizzazione inversa. Si ottienein tal modo lamplificazione delsegnale applicato: era nato iltransistor!

Transistori bipolari e MOS

Il transistor cos realizzato fuchiamato bipolare, in quanto alsuo funzionamento contribuisconotanto le cariche positive quantoquelle negative. I successivi sviluppitecnologici portarono alla realiz-zazione di altri tipi di transistor, ilcui funzionamento dovuto a unsolo tipo di carica.

Torneremo pi avanti su questestrutture, denominate MOS (acroni-mo di Metal-Oxide-Semiconductor),oggi diffusissime nella versionecomplementare CMOS. Ma primadi arrivare a questo stadio eranecessario risolvere un problemafondamentale: come realizzare deitransistor industrialmente riprodu-cibili. ci che vedremo nellaprossima puntata.