Il transistor è un dispositivo elettronico utilizzato in diverse applicazione, dai computer ai telefoni cellulari. In questo articolo esamineremo la struttura e il funzionamento dei transistor, analizzandone le caratteristiche principali.

Cenni storici

Il transistor è un semiconduttore impiegato nei circuiti analogici e digitali ed è costituito da tre terminali (tripolo) chiamati base, collettore ed emettitore. La base regola il flusso della corrente tra collettore ed emettitore. Prima dell’introduzione dei transistor, le valvole erano molto ingombranti (quasi come una lampadina). Per questo motivo, fino agli anni Cinquanta, le radio erano enormi. Negli anni Sessanta, i transistor sostituirono le valvole e le radio divennero portatili. Così nacque l’elettronica moderna, perché dalla diffusione dei transistor si arrivò alla miniaturizzazione dei circuiti.

 Come funziona un transistor?

Un transistor funziona come un interruttore. A seconda della polarizzazione dei terminali, ci sono due tipologie di transistor:

• transistor NPN (la base è polarizzata positivamente, mentre il collettore e l’emettitore sono polarizzati negativamente);
• transistor PNP (la base è polarizzata negativamente, mentre il collettore e l’emettitore sono polarizzati positivamente).

Di fatto, il transistor modifica la conduttività elettrica del dispositivo, ossia la corrente che lo attraversa, cambiando i valori delle tensioni ai suoi terminali.

Struttura del transistor

Dal punto di vista tecnologico, esistono principalmente due categorie di transistor:

• il transistor a giunzione bipolare (BJT);
• il transistor a effetto di campo (FET).

Transistor a giunzione bipolare (BJT)

Il transistor bipolare a giunzione, o BJT (Bipolar Junction Transistor), è un componente elettronico a tre terminali:

• Emettitore (E)
• Base (B)
• Collettore (C)

Ci sono due tipologie di transistor BJT: NPN e PNP.

La base è molto sottile e presenta una bassa concentrazione di portatori di carica. La sua funzione è di controllare il flusso di corrente tra l’emettitore e il collettore.

Quest’ultimo raccoglie i portatori di carica che attraversano la base e permette il passaggio della corrente.Nel caso di un BJT, quando viene applicata una piccola corrente alla base, si innesca un processo di amplificazione. La piccola corrente di ingresso controlla un flusso molto più grande di corrente che passa dall’emettitore al collettore. Questo significa che anche una piccola variazione nella corrente di base può produrre una grande variazione nella corrente di collettore, rendendo il BJT un eccellente amplificatore.

Transistor a effetto di campo (FET)

Il FET è formato da un gate, che è un terminale isolato dal canale tramite uno strato di ossido, che consente un controllo preciso della corrente. La source fornisce i portatori di carica al canale. Il drain, invece, raccoglie i portatori di carica che attraversano il canale.

Nel FET, il funzionamento si basa sulla modulazione della conduttività del canale. Quando viene applicata una tensione al gate, questa crea un campo elettrico che modifica la distribuzione dei portatori di carica nel canale.

Applicazioni dei transistor

I transistor si trovano in molte applicazioni elettroniche. Tra le principali si possono annoverare:

• amplificatori (utilizzati per aumentare l’intensità dei segnali audio e radio);
• circuiti digitali (fondamentali nella creazione di porte logiche, memorie e microprocessori, permettendo il funzionamento dei computer);
• interruttori elettronici (utilizzati per controllare l’alimentazione di circuiti e dispositivi);
• regolatori di tensione (impiegati per stabilizzare la tensione in circuiti elettrici).

L’importanza dei transistor

In poche parole, i transistor sono utilizzati in quasi tutti i moderni dispositivi elettronici. Infatti, sono fondamentali per circuiti integrati (IC), microchip, microprocessori, FPGA, chip di memoria, alimentatori e molto altro. Di conseguenza, in meno di dieci anni dalla sua invenzione, il transistor ha trasformato l’elettronica contemporanea. Diversi fisici da ogni parte del mondo hanno lavorato incessantemente per rivelare tutto il potenziale della tecnologia dei transistor.

William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain, dei Bell Labs, hanno ricevuto il premio Nobel per la Fisica nel 1956 per le loro indagini sui semiconduttori e la scoperta dell’effetto transistor. Sebbene questo premio rappresenti un grande riconoscimento, l’impatto sull’evoluzione tecnologica futura è stato ancor più significativo.

I transistor sono diventati la base per quasi tutti i dispositivi elettronici, i sistemi elettrici e le industrie nel mondo. Nel 2022, l’industria globale dei semiconduttori ha superato i 600 miliardi di dollari.

Dai controllori del traffico aereo in Australia ai banchieri in Belgio, dai concessionari d’auto in Canada agli insegnanti in Egitto, dagli agricoltori in Francia agli investitori della borsa di Singapore e ai gamer in Venezuela: tutti fanno uso della tecnologia a transistor nella vita quotidiana. L’invenzione del transistor potrebbe essere la più rilevante del XX secolo. Senza i transistor, le normali tecnologie fondamentali come Internet, i telefoni cellulari, la medicina moderna e i mezzi di trasporto contemporanei potrebbero non essere mai esistiti.

Transistor nanometrici

I ricercatori del MIT hanno creato un nuovo tipo di transistor tridimensionale utilizzando materiali semiconduttori sottilissimi, capaci di superare i limiti intrinseci dei tradizionali transistor in silicio. Questo dispositivo promette prestazioni comparabili ai transistor in silicio più sofisticati, operando però a tensioni significativamente inferiori e con maggiore efficienza energetica.

I nuovi transistor sfruttano le proprietà quantistiche dei materiali per ottenere un basso voltaggio operativo e alte prestazioni in un’area di pochi nanometri quadrati. La loro struttura tridimensionale con nanofili verticali ultrasottili permette di imballare un numero maggiore di transistor su un singolo chip. Di conseguenza, questa innovazione potrebbe influenzare l’industria elettronica del futuro, consentendo la realizzazione di chip più potenti ed efficienti per computer, smartphone e altri dispositivi.

I ricercatori hanno combinato materiali semiconduttori come l’antimoniuro di gallio e l’arseniuro di indio, progettando i dispositivi per sfruttare il fenomeno quantistico dell’effetto tunnel. Questo permette agli elettroni di attraversare la barriera energetica piuttosto che scavalcarla, consentendo una commutazione più rapida ed efficiente del transistor.

La creazione di questi minuscoli dispositivi ha richiesto tecniche di fabbricazione estremamente precise. Utilizzando delle strutture all’avanguardia, i ricercatori sono riusciti a controllare con grande accuratezza la geometria 3D dei transistor, creando nanostrutture verticali con un diametro di soli 6 nanometri. Questa ingegnerizzazione così precisa ha permesso di ottenere contemporaneamente una ripida pendenza di commutazione e un’elevata corrente, approfittando del fenomeno del confinamento quantistico. I test sui dispositivi hanno dimostrato una pendenza di commutazione inferiore al limite fondamentale raggiungibile con i transistor in silicio convenzionali, con prestazioni circa venti volte superiori rispetto a transistor simili. Il team sta attualmente lavorando per migliorare le tecniche di fabbricazione e per ottenere transistor più uniformi su un intero chip. Considerata l’estrema miniaturizzazione, anche variazioni di un nanometro possono influenzare in modo significativo il comportamento degli elettroni.

I ricercatori stanno anche investigando strutture verticali a forma di pinna, oltre ai nanofili verticali, che potrebbero potenzialmente migliorare l’uniformità dei dispositivi su un chip. Anche se rimangono numerose le sfide da affrontare prima di una possibile commercializzazione, questa ricerca rappresenta di fatto un significativo passo avanti verso transistor high-tech più efficienti e avanzati.

Conclusioni

In definitiva, i transistor rappresentano una pietra miliare della tecnologia moderna. La loro versatilità e capacità di amplificare e controllare i segnali elettrici li rendono indispensabili per una vasta gamma di applicazioni, dall’elettronica di consumo all’industria informatica. Comprendere la loro struttura e il loro funzionamento è un ottimo passo in avanti per comprendere a pieno il loro potenziale e quindi affrontare le sfide future nel campo dell’elettronica. Con l’avanzare della tecnologia, è indubbio che i transistor continueranno a evolversi, mantenendo il loro ruolo centrale nel progresso scientifico e tecnologico. Motivo per cui è cruciale riuscire a capire al meglio le loro peculiarità e il loro valore intrinseco.

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