Nel corso della storia dell'umanità, il progresso tecnologico umano è stato segnato da diverse tappe fondamentali: la rivoluzione agricola, la rivoluzione industriale e la scoperta dell'elettricità. Alcune invenzioni hanno cambiato il mondo: il generatore elettrico a corrente continua, la lampadina, il telefono, il cemento, i generatori e i motori CA, gli aeroplani, i treni, le automobili, i raggi X e la penicillina.
Quando si compilano questi elenchi, c'è un'invenzione che spesso viene trascurata: quella del transistor. Questo articolo illustra la storia dei transistor e sottolinea l'importanza di questa tecnologia nel mondo moderno.
Che cos'è un transistor?
Nella sua forma più semplice, un transistor è un piccolo interruttore a semiconduttore che funziona come un normale interruttore della luce. I transistor regolano o controllano il flusso di corrente o tensione a livello microscopico. I transistor moderni sono costituiti da tre conduttori di corrente: source (sorgente), drain (pozzo) e gate (porta). Quando un piccolo segnale elettrico viene applicato al gate del transistor, il segnale elettrico primario più grande viene fatto passare attraverso il drain.
Varie configurazioni moderne permettono di applicare a questi conduttori tensioni primarie e secondarie diverse, spesso in funzione dei materiali semiconduttori utilizzati. Ad esempio, i normali transistor a semiconduttore di ossido di metallo a effetto di campo (MOSFET) a base di silicio richiedono 1.000 mm*Rds(on) a una tensione di gate di 5 V e una tensione drain-to-source pari a 200, mentre i semiconduttori al nitruro di gallio richiedono solo 60 mm*Rds(on) alle stesse tensioni, con una riduzione pari a 16 volte.
Come vengono utilizzati i transistor?
I transistor sono impiegati in quasi tutti i dispositivi elettronici moderni. Sono alla base di circuiti integrati (IC), microchip, microprocessori, FPGA, chip di memoria, interruttori elettronici, alimentatori e molto altro. Di conseguenza, quasi tutti i dispositivi elettronici moderni sono costituiti da almeno un transistor, se non da milioni.
Ad esempio, un normale di ricarica per un iPhone Apple è costituito da un singolo transistor di commutazione MOSFET ad alta frequenza e da un singolo trasformatore flyback. Questi due trasformatori collaborano, insieme a molti altri componenti passivi, per assorbire la corrente CA di ingresso "sporca" e convertirla in tensioni di uscita CC "pulite" e ben filtrate, utilizzate per caricare l'iPhone.
Un PC moderno è composto da miliardi di transistor. Ad esempio, il laptop Dell XPS 15 utilizza un processore Intel® Core™ i9-12900HK di dodicesima generazione come CPU centrale. Anche se Intel non rivela più il numero totale di transistor utilizzati, una CPU Apple M1 Max è composta da 57 miliardi di transistor. Nei computer professionali per il rendering grafico che utilizzano sia CPU che GPU, il numero totale di transistor può superare le centinaia di miliardi.
Breve storia dei transistor
La base concettuale del transistor affonda le sue radici nei tubi a vuoto termoionici, inventati nel 1907 e utilizzati principalmente nella tecnologia radio, nei televisori, nei radar e nelle comunicazioni a lunga distanza. Gli amplificatori basati sui tubi a vuoto, o valvole, consumavano molta energia, erano molto costosi da produrre, potevano essere molto grandi e pesanti ed erano molto fragili.
I tubi a vuoto termoionici utilizzano un segnale di ingresso per controllare il flusso di corrente elettrica tra gli elettrodi. Richiedono un filamento riscaldato nel vuoto, che consuma ulteriore energia e li rende soggetti a gravi guasti.
I transistor a effetto di campo a stato solido sono stati brevettati per la prima volta dal fisico Julius Edgar Lilienfeld nel 1925, in Canada, e successivamente nel 1926 e 1928 negli Stati Uniti. Questi brevetti identificavano i principi dei transistor a stato solido e il loro utilizzo come soluzione alternativa ai tubi a vuoto termoionici, ma il ruolo di Lilienfeld come nonno della tecnologia dei transistor finisce qui. Negli anni '20, la capacità di produrre i materiali semiconduttori di alta qualità necessari per dare forma ai concetti ideati da Lilienfeld non era ancora stata inventata.
Il primo transistor funzionale, il transistor a contatti puntiformi, fu inventato nel 1947 dai fisici americani John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley presso i Bell Labs. Le loro ricerche iniziali sul comportamento dei semiconduttori erano marginalmente legate ai concetti delineati nel lavoro di Lilienfeld, ma i tentativi non riusciti di costruire dei transistor a effetto campo (FET) li portarono alla scoperta e all'invenzione dei transistor a contatti puntiformi e a giunzione bipolari. Shockley depositò il brevetto statunitense per la prima tecnologia di transistor a giunzione bipolare nel giugno 1948.
È interessante notare che i fisici tedeschi Herbert Matare e Heinrich Welker, che lavoravano per una filiale della Westinghouse a Parigi, stavano conducendo ricerche molto simili all'inizio del 1948. Successivamente alle loro scoperte e sapendo che stavano gareggiando con il team di Shockley nella ricerca sui transistor, depositarono il loro primo brevetto per transistor il 13 agosto 1948, in Francia.
All'inizio degli anni '50, i transistor venivano già prodotti su piccola scala per l'uso nelle comunicazioni radio. A metà degli anni '50, si susseguirono diverse scoperte e invenzioni importanti:
- I Bell Labs hanno sviluppato il primo transistor al silicio funzionante il 26 gennaio 1954.
- Texas Instruments ha costruito il primo transistor commerciale al silicio alla fine del 1954.
- La prima radio a transistor, la Regency TR-1, è stata messa in commercio nell'ottobre del 1954.
- La prima autoradio interamente a transistor è stata sviluppata da Chrysler e Philco e presentata il 28 aprile 1955.
- La prima radio a transistor prodotta in serie, la Sony TR-63, è stata messa in commercio nel 1957 e ne sono stati venduti sette milioni di esemplari, portando all'adozione delle radio a transistor da parte del mercato di massa tra la fine degli anni '50 e l'inizio degli anni '60 del novecento.
Negli anni '60, la tecnologia dei transistor era diventata una forza tecnologica dominante. I tubi a vuoto sono diventati rapidamente obsoleti. Nel 1965, Gordon Moore, fondatore di Fairchild Semiconductor e Intel, predisse che il numero di transistor sui microchip sarebbe raddoppiato ogni due anni. La legge di Moore definisce una relazione logaritmica lineare della densità dei transistor nel tempo. Nel 1970, i circuiti integrati avevano circa 2.000 transistor. Nel 2020, i circuiti integrati all'avanguardia ne avevano ben oltre 10.000.000.000.
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L'importanza globale del transistor
In meno di dieci anni dalla sua nascita, il transistor ha rivoluzionato l'elettronica moderna e gli istituti di ricerca. I fisici di tutto il mondo hanno lavorato senza sosta per portare alla luce 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 ricerche sui semiconduttori e la scoperta dell'effetto transistor". Anche se questo premio rappresenta un enorme riconoscimento, l'impatto sull'umanità e sulla tecnologia futura è stato ancora più importante.
I transistor sono diventati la base per quasi tutti i dispositivi elettronici, i sistemi elettrici e le industrie del pianeta. Nel 2022, l'industria globale dei chip semiconduttori dovrebbe aver superato i 600 miliardi di dollari.
Dai controllori del traffico aereo in Australia ai banchieri in Belgio, dai rivenditori d'auto in Canada agli insegnanti in Egitto, dagli agricoltori in Francia agli investitori della borsa di Singapore o i gamer in Venezuela: tutti utilizzano la tecnologia a transistor nella vita quotidiana. L'invenzione del transistor potrebbe essere la più importante del XX secolo. Senza i transistor, le comuni tecnologie fondamentali come Internet, i telefoni cellulari, la medicina moderna e i mezzi di trasporto moderni potrebbero non essere mai esistiti.
