Transistor
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Il transistor, o transistore, è un dispositivo a stato solido formato da semiconduttori. Il suo funzionamento è basato sulle proprietà fisiche della giunzione P-N, che era stata scoperta casualmente da Russell Ohl il 23 febbraio 1939, esaminando la differenza di conducibilità tra due lati di un cristallo di silicio semiconduttore con una crepa.
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[modifica] Storia
Il primo transistor era del tipo a contatti puntiformi (dall'inglese point-contacts) perché realizzato con due elettodi le cui punte molto sottili e distanti tra loro solo alcuni centesimi di millimetro (per la precisione da 127 a 50 micron), erano premute sulla superficie di una piastrina di un cristallo di germanio molto puro, policristallino e di tipo n. La tecnica del contatto puntiforme era già nota ed utilizzata per la costruzione dei diodi rivelatori utilizzanti materiali semiconduttori e tra i quali si ricorda la galena, uno dei primi ad essere impiegati. Provvisoriamente, dato che il transistor funzionava in modo analogo ad un triodo, venne chiamato triodo a stato solido, il nome definitivo deriva dall'unione dei termini TRANSconductance e varISTOR. Il primo prototipo funzionante fu realizzato nel 1947 da tre ricercatori dei laboratori Bell Labs, (John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley). Nel 1956 i tre ricercatori furono insigniti del Premio Nobel per la Fisica, con la motivazione «per le ricerche sui semiconduttori e per la scoperta dell'effetto transistor».
I transistor vengono impiegati in ambito elettronico, principalmente, come amplificatori di segnali elettrici o come interruttori elettronici comandati da segnali elettrici ed hanno sostituito praticamente quasi del tutto i tubi termoionici. Le innumerevoli tipologie prodotte attualmente, permettono di trattare correnti di centinaia di ampere, migliaia di volt e operare a frequenze dell'ordine dei GHz, ovviamente un dispositivo progettato per lavorare ai valori estremi di una di queste grandezze, è necessariamente limitato sulle altre due. Col passare del tempo si sono moltiplicate anche le forme dei contenitori (case), per questi viene usata ceramica, metallo, plastica o assemblaggi misti di questi. Negli anni 60 venne usato anche il vetro, il produttore europeo Philips, racchiudeva i propri dispositivi di piccola potenza, ad esempio quelli siglati OC70, OC71, in un'ampollina cilindrica in vetro verniciata in nero, riempita di grasso al silicone, nel caso il dispositivo avesse dissipazione maggiore, come l'OC72, il dispositivo era ricoperto semplicemente da un cappuccio in alluminio. Nel tempo molte tipologie di contenitori sono andati in disuso a favore di geometrie piu efficienti nello smaltimento del calore prodotto; i dispositivi di potenza attuali per bassa frequenza, compresi alcune tipologie di diodi e di IC, vengono assemblati nel contenitore standard definito TO3, provvisto di due flangie forate, adatte al fissaggio sul dissipatore tramite una coppia di viti, realizzato in acciaio, rame, o alluminio, con temperatura ambiente di 25 °C è in grado di trasferire al dissipatore, 300 watt di potenza termica generata dal Die.
Il primo tipo di transistor sperimentato e poi prodotto fu il transistor bipolare o BJT (Bipolar Junction Transistor), in cui sia elettroni che lacune contribuiscono al passaggio della corrente. In seguito furono creati altri tipi di transistor, in cui il passaggio di corrente avveniva grazie ad un solo tipo di portatori di carica (o elettroni o lacune), detti FET, acronimo di Field Effect Transistor, o transistor a effetto di campo. Sia i FET che i BJT, nel tempo, hanno dato origine a molti tipi diversi di transistor, usati per gli scopi più vari. Lo strumento di misura utilizzato per la verifica e la caratterizzazione dei molteplici parametri dei transistor nonché dei diodi, si chiama curve tracer (traccia curve), dall'aspetto simile ad un oscilloscopio, questo tipo di strumento è storicamente prodotto dalla società Tektronix.
[modifica] Transistor bipolare (BJT)
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Per approfondire, vedi la voce transistor a giunzione bipolare. |
In un transistor BJT (transistor a giunzione bipolare) una corrente elettrica è inviata nella base (B) e modula (controlla) la corrente che scorre tra gli altri due terminali noti come emettitore (E) e collettore (C).
Per fare questo, il transistor sfrutta la vicinanza di due giunzioni P-N opposte: quando la giunzione base-emettitore viene polarizzata direttamente, i portatori di carica (elettroni e lacune) che transitano attraverso di essa diffondono verso la vicina giunzione collettore-base, dove vengono in gran parte catturati dal campo elettrico interno alla giunzione stessa, che in questo modo viene percorsa da corrente anche se polarizzata inversamente. Tanto maggiore è la frazione di corrente catturata dalla giunzione di collettore, tanto migliore è il transistor: in un transistor ideale, perfetto, tutta la corrente che entra dall'emettitore dovrebbe essere deviata verso il collettore senza raggiungere mai il contatto di base. In pratica, in un normale transistor per usi generici la corrente uscente dal collettore è il 98-99% di quella che entra nell'emettitore, e dalla base esce solo l'1-2% di essa. Il rapporto fra corrente di collettore e corrente di base è detto 
del transistor, ed è uno dei parametri fondamentali di questo dispositivo.
L'ordine delle giunzioni non è importante: si possono usare sia una coppia di giunzioni P-N e N-P (ottenendo un transistor P-N-P) oppure due giunzioni N-P e P-N (ottenendo un transistor N-P-N, complementare al primo): un transistor e il suo complementare funzionano in modo quasi identico, ma le tensioni ai loro capi devono essere invertite di polarità (da positive a negative e viceversa).
[modifica] Transistor FET
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Per approfondire, vedi la voce JFET. |
In un transistor FET (Field Effect Transistor - transistor ad effetto di campo) i tre terminali sono chiamati gate G (porta), source S (sorgente) e drain D (pozzo) rispettivamente, e l'effetto transistor si ottiene tramite il campo elettrico indotto dalla tensione applicata al terminale gate che respinge i portatori di carica del silicio del canale fra source e gate, variandone la resistenza elettrica: più la tensione fra gate e source è grande, più ampia diventa la regione svuotata non conduttrice, priva di portatori, e più cresce la resistenza elettrica fra source e drain.
Rispetto ai transistor bipolari i FET presentano il vantaggio di avere il terminale di controllo (gate) isolato, in cui non passa alcuna corrente; lo svantaggio invece è che un transistor FET non è in grado di offrire molta corrente in uscita, in genere i circuiti con transistor FET hanno una alta impedenza di uscita, cioè erogano correnti molto deboli.
Anche i FET come i transistor bipolari possono essere realizzati in due versioni complementari, a canale P fiancheggiato da regioni N o a canale N fiancheggiato da regioni P (come quello nella figura a lato); come nei bipolari il funzionamento è identico, ma a polarità invertite.
È talvolta chiamato J-FET (FET a giunzione) per distinguerlo dal MOS-FET
[modifica] Transistor MOS-FET
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Per approfondire, vedi la voce MOSFET. |
I transistori MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) sono dei FET in cui la tensione applicata sul Gate non solo crea una zona svuotata priva di portatori, ma se cresce oltre una tensione detta "di soglia", provoca una inversione di popolazione nel silicio a ridosso dello strato di ossido: nella figura a lato, le due regioni dei terminali di source e drain sono ricavate da silicio P, e sono in comunicazione elettrica tramite il "canale P" creato per inversione nello strato N che le separa, grazie alla tensione applicata al gate sulla barriera superficiale di ossido. Anche qui, è possibile invertire le regioni: in figura è riportato un MOSFET a canale P (P-MOS), il suo complementare (N-MOS) si ricava con un substrato P su cui sono inserite le regioni N di source e drain. Come nel caso dei bipolari, anche il funzionamento dei P-MOS e degli N-MOS è (quasi) identico, ma a polarità invertite.
Mentre i transistor BJT sono principalmente usati per il loro alto guadagno come amplificatori nell'elettronica analogica, i MOSFET sono largamente utilizzati nell'elettronica digitale, soprattutto per la loro struttura molto semplice che li rende facili da costruire e di economico impiego nei circuiti integrati: un ulteriore vantaggio è il basso consumo di energia che si traduce in minori problemi di dissipazione termica, mentre il principale svantaggio è che sono più lenti nel cambiare stato rispetto ai transistor bipolari. I moderni circuiti integrati a MOSFET (microprocessori, DSP, microcontrollori, etc...) usano tutti la tecnologia CMOS (Complementary MOS), in cui si usano transistor P-MOS e N-MOS accoppiati, oppure la sua evoluzione BiCMOS.
[modifica] Altri tipi di transistor
Con l'evolversi della tecnologia sono stati creati anche altri tipi di transistor, dotati di caratteristiche diverse o adatti a usi particolari: per esempio il transistore unigiunzione (UJT) è un generatore di impulsi e non può amplificare né commutare. Gli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) invece sono dispositivi ibridi fra i transistor bipolari e i Mosfet, adatti a gestire correnti elevate. Esistono anche transistor sviluppati per applicazioni di ricerca; questi transistor sono sviluppati per ottenere prestazioni estreme come elevate correnti o elevate frequenze di funzionamento. Nel giugno del 2006 un transistor al silicio-germanio ha raggiunto in laboratorio la frequenza di commutazione di 500 GHz[1].
[modifica] Radio a transistor
Nel linguaggio comune venivano chiamate transistor anche le piccole radio AM portatili a pile, che furono la prima applicazione di questi dispositivi a raggiungere il mercato di massa, negli anni '50.
[modifica] Note
[modifica] Bibliografia
- Jacob Millman e Arvin Grabel. Microelettronica. McGraw-Hill, 1995. ISBN 88-386-0678-1
