Ogni volta che prendi in mano il telefono, tocchi un transistor. Lo fai lampeggiare sullo schermo di un computer. Internet dipende da milioni di utenti per funzionare. Ma cosa sono esattamente?
Pensa al transistor come a un rubinetto molto preciso. Non si tratta solo di attivare o disattivare il traffico. Controlla quanta acqua passa. Nel mondo dell’elettricità, “acqua” è il flusso di elettroni. I transistor controllano questo flusso in modo molto preciso, consentendo ai circuiti di accendere e spegnere i segnali o di amplificarli in modo che possano viaggiare ulteriormente.
Senza tale controllo, i moderni dispositivi elettronici non solo sarebbero goffi, ma cesserebbero del tutto di esistere.
La tempistica accidentale del predecessore del silicio
L’invenzione del transistor non è stata un atto di genio casuale. Richiede materiali che possono essere prodotti scientificamente solo in determinati momenti della storia.
I primi transistor creati ai Bell Laboratories erano realizzati in germanio. Gli scienziati sanno che il germanio puro è un isolante e impedisce il flusso di elettricità. Tuttavia, si è scoperto che l’aggiunta di piccole impurità attraverso un processo chiamato doping lo trasformava in un conduttore debole. Ciò ha portato alla nascita dei semiconduttori.
I semiconduttori sono una via di mezzo. Non sono conduttori perfetti come il rame e non sono isolanti perfetti come il vetro. Possono essere sintonizzati.
Perché ciò accadde subito dopo la seconda guerra mondiale? tempistica. Lo sforzo bellico stimolò importanti progressi nella raffinazione del germanio puro e nel miglioramento delle tecniche di doping. All’improvviso, le materie prime necessarie per realizzare i transistor raggiunsero finalmente la purezza richiesta. Prima di ciò, queste cose non esistevano in una forma utilizzabile.
Giunzioni P-N: la strada a senso unico dell’elettronica
Il drogaggio determina il comportamento dei semiconduttori. A seconda di quali elementi vengono aggiunti al germanio, può verificarsi una delle seguenti situazioni:
- Tipo N: Gli additivi aggiungono elettroni extra. Poiché sono caricati negativamente, il materiale cerca di spingere fuori gli elettroni.
- Tipo P: Il drogante rimuove un elettrone e crea un “buco” dove prima si trovava l’elettrone. Ciò fa sì che il materiale si carichi positivamente e attiri gli elettroni dai materiali vicini.
Posizionando uno strato di tipo N accanto a uno strato di tipo P si crea un diodo PN.
Questo incrocio ha traffico a senso unico elettrico. L’elettricità scorre facilmente in una direzione, ma è bloccata nell’altra direzione. Questa proprietà è la base della rettifica, che converte la corrente alternata (CA) in corrente continua (CC) ed è l’elemento costitutivo di tutti i circuiti complessi.
Dai diodi ai transistor a giunzione
I diodi sono utili, ma anche i transistor sono potenti. Per raggiungere questo obiettivo, gli ingegneri hanno stratificato questi materiali uno dopo l’altro.
Il risultato finale è una struttura P-N-P o N-P-N. Lo strato intermedio è chiamato base. Il punto in cui gli strati si intersecano è chiamato giunzioni. Pertanto, il dispositivo originale è spesso chiamato transistor a giunzione.
C’è magia qui. Dirigendo una piccola corrente in questo strato di base, è possibile dirigere correnti molto più grandi attraverso il resto del dispositivo.
Quando viene applicata una piccola corrente alla base, il cancello si apre e gli elettroni si spostano dal lato di tipo N al lato di tipo P. Quel piccolo input funge da interruttore. Una grande corrente può attraversarlo. Quando l’ingresso viene interrotto, la grande corrente si interrompe.
A causa di questa duplice funzione, i transistor sono la spina dorsale dell’informatica. Funzionano come interruttori della porta logica (0 o 1, acceso o spento). Questi agiscono come amplificatori (amplificando i segnali deboli) per radio, audio e sensori.
Lo spostamento del silicio
Da oltre 20 anni i transistor al germanio sono presenti ovunque. Questi funzionavano sulle prime radio, computer e televisori.
Tuttavia, il germanio ha anche i suoi svantaggi. È sensibile al calore e più difficile da raffinare in modo coerente. Alla fine, l’industria è passata ai semiconduttori a base di silicio. Il silicio è abbondante, economico da maneggiare e molto più affidabile a temperature variabili.
Poche persone attualmente usano il germanio per creare nuova elettronica commerciale. Ma il principio è lo stesso. Gli strati di tipo N e di tipo P continuano a danzare insieme, scambiando corrente e amplificando il segnale. Il materiale è cambiato. La fisica no.
Siamo passati dagli ingombranti blocchi di germanio ai
