Alla scoperta dei transistor

Cosa si cela dietro a tutti i componenti informatici, all’elettronica di consumo, agli smartphone e agli schermi 3D? Inizia un viaggio alla scoperta del transistor, della logica e della fisica che si nasconde dietro questo elemento che costituisce il cuore di ogni processore e di ogni dispositivo elettronico. In questo numero parleremo del componente, di come lavora dal punto di vista fisico ed elettrico e come, migliaia di essi, permettano di costruire la logica alla base di un processore.

di Davide Piumetti

Siamo ormai completamente circondati da componenti elettronici. Mai come in questa fase della civiltà  umana una tecnologia aveva raggiunto un livello di integrazione tale da rendere qualunque operazione quotidiana gestita e pilotata da essa. Parlando di elettronica ci si riferisce infatti a un mondo di prodotti e componenti che vengono utilizzati per ogni scopo, virtualmente in ogni dispositivo attraversato dalla corrente elettrica è presente l’elettronica e, nella maggior parte dei casi, dei processori o dei microcontrollori basati sui transistor. Smartphone, televisori e automobili sono gli oggetti più comuni che utilizzano la tecnologia elettronica per funzionare, ma non sono i soli, anzi praticamente tutto il mondo dei servizi si basa sull’elettronica e i transistor. Il trasporto pubblico, i servizi postali, le banche, ma anche semplicemente gli irrigatori in giardino o gli attrezzi elettrici più diffusi si basano su sistemi o semplici schede di controllo guidate da processori e transistor. Il transistor, immaginato per la prima volta addirittura nel 1925 dal canadese Linnefeld, venne sviluppato in quella che è la sua incarnazione moderna nel 1947 all’interno dei prolifici Bell Laboratories da Walter Brattain e John Bardeen e, grazie anche a 50 anni di affinamenti, rappresenta l’invenzione che ha segnato e segnerà  più di tutte il secolo in corso, così come la plastica (inventata nell’ottocento) è l’invenzione simbolo del secolo passato.

Il concetto di base di un transistor è che esso permette di operare con la corrente elettrica come un interruttore comandato. La corrente fluisce o meno tra due poli principali (detti source e drain) in base allo stato del terzo polo di comando, il gate. Il funzionamento a stato solido, ovvero senza parti in movimento ma solo con correnti e tensioni, permette di utilizzare il transistor per realizzare logiche complesse e di conseguenza tutto quello che di elettronico ci circonda. Per comprendere meglio come funziona un processore dobbiamo di conseguenza comprendere l’operatività  di un transistor e, per farlo, inizieremo dalle basi, ovvero dalla materia e dalle sue proprietà .

Conduttori, isolanti e…. sabbia

Gli elementi in natura hanno alcune proprietà  ben definite in base alla propria costruzione atomica. Esistono materiali isolanti, ovvero che non permettono la conduzione della corrente elettrica, e materiali conduttori, che lasciano fluire al loro interno la carica elettrica. Questo accade perché gli elementi sono costruiti con un nucleo centrale di protoni e neutroni circondato da una nuvola elettronica disposta su diverse bande di energia. Due quelle che definiscono al meglio il comportamento elettrico di un elemento: la banda di valenza e la banda di conduzione. La banda di valenza rappresenta il livello energetico più basso completamente occupato da elettroni, mentre quella di conduzione indica il più basso non completamente occupato (o vuoto).

La banda proibita, o band-gap, è lo spazio energetico che intercorre tra le due ed è di fondamentale importanza per i nostri fini divulgativi. Questa premessa tecnica ha una ragione ben definita e si lega al concetto di “livello di Fermi”. Il livello di Fermi è una proprietà  fisica di ogni elemento e si riferisce in buona approssimazione (perlomeno fino a qualche centinaia di migliaia di gradi centigradi) all’energia chimica totale dell’elemento. In base al valore di questo livello di Fermi rapportato alle bande di valenza e conduzione possiamo differenziare il tipo di materiale. Nelle immagini in queste pagine potete vedere come i materiali detti conduttori hanno il livello di Fermi che cade direttamente all’interno di una banda, il che rende tali materiali in grado di condurre energia elettrica senza problemi.

Questo perché l’elemento, già  all’energia chimica di cui è dotato, presenta elettroni liberi di muoversi. In netto contrasto i materiali isolanti, che hanno il livello di Fermi all’interno della banda proibita, ovvero l’energia potenziale di cui sono dotati non permette la movimentazione degli elettroni (e la banda di conduzione si trova a grande distanza dal livello di Fermi). I semiconduttori sono invece materiali che si situano nel mezzo, ovvero che risultano normalmente isolanti ma che presentano una banda proibita di dimensioni molto ridotte. I semiconduttori puri, come il silicio o il germanio, possono di conseguenza divenire dei conduttori o degli isolanti in base alle condizioni esterne alle quali sono sottoposti, una variazione del campo elettrico, magnetico o di temperatura può infatti spostare l’energia dell’elemento a sufficienza per diventare conduttore o isolante. (…)

Trovate l’articolo completo su PC Professionale di febbraio 2015