Transistor

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Introduzione

Transistor Dispositivo a semiconduttore utilizzato nei circuiti di amplificatori, oscillatori, rivelatori e di numerosi altri strumenti per telecomunicazioni. Si tratta di un componente a stato solido costituito da un sottile frammento di cristallo semiconduttore, di solito germanio o silicio, suddiviso in tre zone distinte (terminali), con caratteristiche fisiche diverse.

Prima della sua invenzione, le apparecchiature elettroniche erano basate sull’uso dei tubi a vuoto a effetto termoionico, degli amplificatori magnetici e di particolari condensatori utilizzati anch’essi come amplificatori. Esiste un’analogia tra le funzioni osservabili ai terminali di un transistor e quelle di un triodo a vuoto: così come il catodo di un tubo a vuoto, quando viene riscaldato, emette elettroni il cui flusso è modulato dall’anodo, l’emettitore di un transistor bipolare fornisce cariche elettriche mobili (elettroni o lacune), il cui flusso è controllato dal terminale centrale (base).

Il transistor fu messo a punto nel 1948, presso i Bell Laboratories, dai fisici statunitensi Walter Houser Brattain, John Bardeen e William Bradford Shockley che, per questa realizzazione, nel 1956 ricevettero il premio Nobel per la fisica. Shockley fu il promotore e il direttore dell’intero programma di ricerca sui materiali semiconduttori; i suoi associati, Brattain e Bardeen, inventarono un particolare tipo di transistor.

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Struttura atomica del semiconduttore

Le proprietà elettriche di un materiale semiconduttore sono determinate dalla struttura degli atomi di cui è costituito. In un cristallo puro di germanio o di silicio, gli atomi sono disposti in posizioni ordinate, corrispondenti ai vertici e al centro di tetraedri adiacenti, che formano nel complesso un reticolo cristallino regolare. Ciascuno degli elettroni di valenza di un atomo (gli elettroni più esterni) è attratto sia dal proprio nucleo sia da quello di un atomo adiacente: si viene così a creare un doppia interazione fra atomi adiacenti, che induce la condivisione di una coppia di elettroni. Con questo meccanismo ciascun atomo, dotato (in germanio e silicio) di quattro elettroni di valenza, stabilisce un legame, che va sotto il nome di legame covalente, con quattro atomi vicini: l’insieme di questi legami, particolarmente resistenti, conferisce al cristallo estrema solidità. Poiché nessun elettrone di valenza è libero da legami, un semiconduttore puro a bassa temperatura è privo di elettroni di conduzione, e pertanto si comporta come un isolante.

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La funzione delle impurità

I cristalli di germanio o di silicio però, se arricchiti con percentuali anche minime di atomi di particolari elementi chimici (impurità), si rivelano discreti conduttori anche a basse temperature (nei semiconduttori la capacità di condurre elettricità aumenta all’aumentare della temperatura).

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Atomi donatori

Questo effetto può essere ottenuto con due modalità, a seconda delle caratteristiche chimiche delle impurità. Il cristallo può essere drogato con atomi dotati di cinque elettroni di valenza, come il fosforo, l’antimonio e l’arsenico; in questo caso, ognuno di questi atomi prende il posto di un atomo di silicio all’interno del reticolo cristallino e quattro dei suoi elettroni formano legami covalenti. Il quinto elettrone rimane libero di muoversi, sotto l’azione dei campi elettrici, andando a incrementare la conducibilità del cristallo. Gli elementi di impurità pentavalenti sono detti “donatori”, in quanto portano elettroni liberi.