Laboratorio
“L’aritmetica della macchine
e la macchina della mente”
Anno Scolastico 2011/12
I TRANSISTOR E LA MICROELETTRONICA
LICEO SCIENTIFICO
LICEO SCIENTIFICO con opzione SCIENZE APPLICATE
LICEO CLASSICO
“Federico Quercia”
Marcianise
Il transistor è un dispositivo a semiconduttore largamente usato sia
nell'elettronica analogica che nell'elettronica digitale.
Le principali funzioni che gli vengono affidate all'interno di un circuito
elettronico sono:


L'amplificazione di un segnale in entrata.
Il funzionamento da interruttore (switcher).
Esistono principalmente due diverse tipologie di transistor, il transistor a
giunzione bipolare (BJT) ed il transistor ad effetto di campo, ed è possibile
miniaturizzare i dispositivi di entrambe le categorie all'interno di circuiti integrati,
il che li rende un componente fondamentale nell'ambito della microelettronica.
Sono solidi con caratteristiche intermedie tra conduttori e isolanti, i principali
rappresentanti sono il silicio e il germanio.
I loro atomi formano cristalli impegnando, ciascuno, tutti e quattro gli elettroni
di valenza in altrettanti legami con gli atomi vicini.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Tali elettroni producono una
banda di valenza completamente
piena. A differenza degli isolanti,
però, nei semiconduttori il gap di
energia fra la banda di valenza e
la banda di conduzione è
piuttosto stretto.
Semiconduttori
Quando un elettrone passa nella banda di conduzione , rimane uno stato
elettronico libero nella banda di valenza, chiamato lacuna. Alla conduzione di
corrente attraverso un semiconduttore contribuiscono sia gli elettroni sia le
lacune, che si comportano come cariche elementari mobili di segno positivo.
Elettrone libero
Si
lacuna
Si
Si
Si
Gli elettroni si spostano verso sinistra le lacune verso destra
Tutte le proprietà descritte sono comuni ai cosiddetti semiconduttori
intrinseci, cioè ai cristalli privi di impurità.
Le proprietà elettriche dei semiconduttori possono essere modificate,
inserendo nei cristalli delle impurità, ovvero atomi di altri elementi. Si
ottengono così i semiconduttori drogati.
A seconda dell’impurità scelta per il drogaggio si ottengono:


Semiconduttori di tipo n
Semiconduttori di tipo p
Semiconduttori di
tipo n
Introducendo, ad esempio, atomi
di arsenico (che hanno 5 elettroni
di valenza, uno in più del silicio), si
ha una diminuzione della resistività
elettrica.
L’atomo di arsenico, oltre a
mettere in comune quattro
elettroni con altrettanti atomi di
silicio, ne libera un quinto, che
può allontanarsi. Così, si
formeranno lacune in numero
minore rispetto agli elettroni
liberati.
Un semiconduttore drogato con
atomi donatori (arsenico) è
detto, appunto, semiconduttore
di tipo n, dove ‘’n’’ sta per
‘’negativo’’.
Si
Si
Si
Si
As
Si
Si
Si
Si
Semiconduttori di
tipo p
Se invece il silicio viene drogato
con atomi di boro, si ottiene un
semiconduttore di tipo p
(positivo).
Qui la conduzione dell’elettricità
è dovuta soprattutto al
movimento delle lacune.
Poiché ogni atomo di boro ha a
disposizione per i legami
soltanto 3 elettroni, in uno dei
quattro legami con gli atomi di
silicio rimane una lacuna, che
viene facilmente riempita da un
elettrone.
Si
Si
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
Gli atomi di impurità che si comportano
come il boro sono chiamati accettori.
Con il termine giunzione p-n si indica l‘interfaccia che separa le parti di
un semiconduttore sottoposte a drogaggio di tipo differente.
La giunzione p-n è composta da due zone:
una ad eccedenza di lacune
(strato p).
una con un eccesso di elettroni
(strato n)
Giunzione
-
Tipo p
Migrazione di cariche
+
+
+
+
+
Tipo n
La giunzione p-n possiede alcune interessanti proprietà che vengono sfruttate
nell'elettronica moderna.
Gli elettroni liberi, più abbondanti nella parte n, migrano nella parte p, e le
lacune più abbondanti nella
parte p, migrano nella parte n.
Descrizione
Si forma un sottile strato neutro, chiamato regione di svuotamento (depletion
layer), che assume le proprietà di un cattivo conduttore. Le due estremità,
invece, mantengono le caratteristiche di buoni conduttori.
Regione di svuotamento
-
Tipo p
+
+
+
+
+
Tipo n
Migrazione didi
cariche
Migrazione
cariche
Le giunzioni p-n sono comunemente usate come diodi: dispositivi elettronici
che permettono un flusso di corrente in una direzione ma non in quella
opposta.
Descrizione
Questo risultato può essere ottenuto incrementando o
riducendo l'estensione dello strato non conduttivo (la
zona svuotata) grazie agli effetti della polarizzazione
Simbolo del diodo
Il termine polarizzazione indica l'applicazione di una tensione elettrica alla
giunzione p-n.
La tensione esterna influenza la dimensione, richiamando un maggiore o
minore numero di portatori.
Esistono 2 tipi diversi di polarizzazioni :
• Polarizzazione diretta
• Polarizzazione inversa
Si ha polarizzazione diretta quando la parte di tipo p è connessa al terminale
positivo del generatore di tensione, mentre la parte di tipo n è connessa al
terminale negativo.
Corrente diretta
p
n
+
-
Quando la giunzione p-n è polarizzata direttamente, la zona di svuotamento si
riduce; le lacune e gli elettroni possono scorrere liberamente, grazie alla
bassa resistenza incontrata nella giunzione. Attraverso la giunzione passa una
corrente , detta corrente diretta
La polarizzazione inversa si ottiene collegando la regione di tipo p al terminale
negativo dell'alimentazione e la regione di tipo n al terminale positivo.
Corrente inversa
p
n
+
Quando la giunzione p-n è polarizzata inversamente, le lacune della parte p e
gli elettroni della parte n sono attratti, rispettivamente dal polo negativo e dal
polo positivo della batteria. La regione di svuotamento diventa così più
ampia. Si crea una corrente molto debole detta corrente inversa.
Celle solari
La cella solare a giunzione si basa
sull’assorbimento da parte del lato p di
fotoni, la cui energia permette la
transizione di un elettrone dalla banda
di valenza a quella di conduzione.
Fotoni
Strato p
Strato n
Ciò causa un eccesso di cariche positive
in p e di cariche negative in n, e la
produzione di una corrente, la cui
intensità è proporzionale al numero di
fotoni assorbiti e quindi all’intensità
della luce.
LED
Il LED (Light Emission Diode) funziona in
un certo senso al contrario della cella
solare. Infatti, in condizioni di forte
polarizzazione diretta, si accumulano
moltissimi elettroni in p e lacune in n.
Quando gli elettroni e le lacune si
ricombinano, decadono dai livelli
energetici più alti, emettendo fotoni a
determinate frequenze.
Brattain, Shockley e Bardeen. I tre scienziati
americani - che vediamo nell'immagine sono, di fatto, i tre inventori del transistor.
Che qualcosa del genere potesse funzionare
si era capito anche prima, e alcune
intuizioni di base risalgono ai primi del '900.
Ma furono loro tre a risolvere i problemi
fisici e tecnologici alla base del transistor.
L'obbiettivo era trovare un marchingegno che amplificasse un segnale,
quello che corre sui cavi telefonici, per esempio. Anzi, proprio da questa
esigenza, fondamentale per l'espansione della telefonia, si era partiti alla
ricerca di qualcosa che funzionasse meglio dei tubi a vuoto, dispositivi dalla
rottura facile e produttori di grande calore.
Durante la II guerra mondiale, le battaglie erano vinte da chi per primo
individuava aeroplani, navi, o sommergibili nemici. Per dare agli alleati un
vantaggio, scienziati britannici e americani svilupparono la tecnologia del radar
per "vedere" a centinaia di miglia, anche di notte.
La ricerca volta a migliorare il radar aiutò anche la
ricerca sul transistor. Il radar degli anni intorno al 1940
era costituito da un cristallo a semiconduttore, o
"raddrizzatore“ che funzionava spedendo un'onda
radio ed analizzando l'onda riflessa che rimbalzava
fuori da tutti gli oggetti presenti nell'aria. Il lavoro del
raddrizzatore doveva tradurre il segnale riflesso in
corrente continua necessaria per la visualizzazione
sullo schermo.
Provando differenti semiconduttori e
drogandoli con materiali differenti, i
ricercatori dimostrarono che i rivelatori
migliori erano fatti con cristalli di
germanio
Alla fine della II guerra mondiale, i Laboratori Bell erano in grande fermento. Il
presidente dei laboratori, Mervin Kelly, riteneva che la scienza dei semiconduttori
avrebbe potuto fornire un nuovo genere di amplificatore da sostituire ai tubi a
vuoto (valvole) nei dispositivi telefonici che amplificavano i segnali di voce
viaggianti attraverso i fili del telefono, che stavano raggiungendo i limiti del loro
potenziale.
Un amplificatore a semiconduttore, più robusto e più
efficiente di una tubo a vuoto, avrebbe potuto avere
anche altri usi. Fra i clienti più probabili c’era l’esercito
degli Stati Uniti. Mentre la guerra fredda iniziava, le
agenzie militari investivano sontuosi fondi in qualunque
genere di ricerca che potesse risultare utile a lungo
termine.
Valvola di Fleming degli inizi del
Novecento
Il fisico William Shockley e il chimico Stanley Morgan
erano stati incaricati dalla Bell di organizzare un gruppo di
ricerca, nel quale furono inseriti Walter Brattain e John
Bardeen.
La loro ricerca era basata sulle teorie della meccanica
quantistica applicata ai semiconduttori, sviluppata
durante gli anni ’30. Era un gruppo fenomenale e creativo:
ogni ricercatore del gruppo proveniva da uno specifico
campo di specializzazione, in modo che se uno rimanesse
incastrato su un esperimento ci fosse sempre nel gruppo
una persona competente nel campo a cui chiedere aiuto.
John Bardeen
Shockley dirigeva tutto, dando suggerimenti, ma
tuttavia permettendo che ciascuno lavorasse
autonomamente in libertà.
Walter Brattain
Nel dicembre del 1947 Walter Brattain e John Bardeen realizzarono un
importantissimo esperimento. Avevano capito che i componenti chiave erano
una lastra di germanio e due punte di contatto d’oro separate tra loro, giusto
una frazione di millimetro. Walter Brattain mise un nastro di un foglio d’oro
intorno ad un triangolo di plastica e lo affettò ad uno dei vertici.
Mettendo quel punto del triangolo
delicatamente sul germanio, vide un effetto
fantastico: il segnale entrava attraverso un
contatto d'oro ed aumentava mentre correva
verso l'altro estremo. Il primo transistor a
punte metalliche era stato realizzato.
Le prestazioni dei primi transistori erano molto scarse; essi avevano un
guadagno e un’ampiezza di banda bassi, erano rumorosi e le loro caratteristiche
variavano molto da dispositivo a dispositivo. Scockley capì che le difficoltà
nascevano dalle punte di contatto.
Mentre il resto del gruppo lavorava piacevolmente su come migliorare le
tecniche di amplificazione con i semiconduttori, Shockley si concentrava sulle
sue proprie idee, non lasciando che nessuno sapesse cosa stava facendo in
laboratorio.
Il 23 gennaio 1948 mentre era seduto al
tavolo della cucina, illuminata dalle prime
luci del giorno, ebbe una improvvisa
intuizione: costruire un transistor della
forma di un "sandwich".
William Shockley
Si sarebbe trattato di un sandwich a tre
strati: i semiconduttori delle parti esterne
avrebbero dovuto avere elettroni in eccesso,
mentre la parte centrale avrebbe dovuto
avere pochi elettroni.
B
E
C
Lo strato centrale si sarebbe
dovuto comportare come un
rubinetto: pilotandolo in
tensione su e giù, questo
avrebbe dovuto regolare il flusso
di corrente nel sandwich
aumentandola o
interrompendola a seconda
della propria volontà.
Nel luglio del 1951 i Laboratori Bell annunciarono l'invenzione di un transistor a
giunzione funzionante ed efficiente. Inoltre, ebbero una brillante intuizione: lo
sviluppo del transistor si sarebbe attuato molto più velocemente se avessero
aperto il campo ad altre aziende. Così, nel settembre del 1951, ospitarono un
simposio per fare conoscere che cosa il transistor avrebbe potuto fare.
I partecipanti al congresso erano circa 300 tra scienziati e ingegneri e tutti
tornarono alle loro rispettive aziende con un buona impressione su ciò che il
transistor avrebbe potuto fare, ma poche idee su come poterne costruire
uno. Per quella conoscenza, Bell chiedeva alle aziende $25.000 in cambio
dei diritti di licenza. Ventisei aziende, sia dagli Stati Uniti che dall’estero,
sottoscrissero questo privilegio. C’erano sia grandi aziende, come l'IBM e la
General Electric, ma anche aziende più piccole, tra le quali la allora
sconosciuta Texas Instruments.
I transistor potevano essere utili al tempo per realizzare telefoni aziendali e ad
una manciata di scienziati per costruire i calcolatori elettronici, ma ciò non era
abbastanza per sviluppare un'industria. Le aziende stavano comprando in
maniera veramente interessata le autorizzazioni del transistor dalla Bell, ma se
avessero voluto far salire le vendite dei loro prodotti avrebbero dovuto fornire
transistor per apparecchi di massa. Ciò accadde con le radio e soprattutto con
le radioline portatili.
La Regency TR1, la
prima radio a
transistor del
mondo $49.95
(1954)
Con la radio a transistor, la musica e le
informazioni diventarono
improvvisamente portatili. Non importava
se il posto dove eri fosse isolato, avresti
potuto sentire le notizie del mondo. E gli
adolescenti avrebbero potuto ascoltare
inaspettatamente musica ovunque lo
desiderassero, lontano dagli orecchi degli
adulti; ciò fu la scintilla della rivoluzione
musicale: il rock n' roll.
A Bardeen, Brattain e Schockley fu assegnato il premio Nobel per la fisica nel
1956 per l’invenzione del transistor e per il loro contributo alla comprensione
dei semiconduttori. Questo è stato il primo premio Nobel assegnato per un
dispositivo ingegneristico in quasi 50 anni.
Il più semplice transistor sviluppato è costituito da una doppia giunzione, cioè
da tre regioni diversamente drogate di un cristallo semiconduttore. La
regione centrale del transistor è detta base, le due regioni estreme sono
dette emettitore e collettore.
Abbiamo due diversi tipi di transistor:

Transistor p-n-p: dove la base ha un drogaggio di tipo n e le regioni
estreme un drogaggio di tipo p.
p
emettitore
n
p
base
collettore
Simbolo
nei circuiti
elettrici
Il più semplice transistor sviluppato è costituito da una doppia giunzione, cioè
da tre regioni diversamente drogate di un cristallo semiconduttore. La
regione centrale del transistor è detta base, le due regioni estreme sono
dette emettitore e collettore.
Abbiamo due diversi tipi di transistor:

Transistor n-p-n: dove la base ha un drogaggio di tipo p e le regioni
estreme un drogaggio di tipo n.
n
emettitore
p
n
base
collettore
Simbolo
nei circuiti
elettrici
Il nome transistor è la fusione dei termini transfer e resistor.
Ciò suggerisce la funzione del dispositivo: un elemento di circuito la cui resistenza
variabile consente di controllare il “trasferimento” di un segnale elettrico da
terminale di ingresso (l’emettitore) a quello di uscita (il collettore).
Nel caso di un transistor p-n-p, affinché il
dispositivo sia percorso da corrente,
non è sufficiente collegare l’emettitore al
polo positivo e il collettore al polo
negativo di un generatore. In tal caso,
infatti, la giunzione p-n sarebbe
polarizzata direttamente e quindi
attraversata da corrente, ma il flusso di
carica verrebbe bloccato dalla giunzione
n-p polarizzata inversamente.
+
E
B
C
p
n
p
-
Occorre quindi abbassare ulteriormente il potenziale della base attraverso
l’utilizzo di un secondo generatore in modo tale da accelerare verso il collettore le
lacune che attraversano una giunzione e permettere a queste di oltrepassare
il piccolo spessore della base ricombinandosi solo in minima parte con gli elettroni
di conduzione presenti nella base stessa.
+
Quando il transistor è alimentato nel
modo descritto, quasi tutta la corrente
che entra nell’emettitore esce dal
collettore e nel ramo collegato con la base
ne scorre solo una frazione trascurabile.
+
E
B
C
p
n
p
-
Un transistor n-p-n invece ha lo stesso comportamento, ma attraverso di esso
l’elettricità è trasportata dagli elettroni anziché dalle lacune. Perciò il verso
convenzionale della corrente cambia e i collegamenti con i poli del
generatore devono essere invertiti.
-
+
n
-
+
p
n
La microelettronica, nata con l’invenzione del transistore nel 1947, ha avuto
un progresso straordinario. Oggi possiamo progettare e costruire circuiti
integrati che hanno fino a due miliardi di transistori per chip.
Per i primi dieci anni i transistori furono costruiti uno alla volta, usando il
germanio come elemento semiconduttore.
Nel 1959, l’invenzione del processo planare
alla Fairchild Semiconductor, ad opera
dell’ingegnere svizzero Jean Hoerni, fa
cambiare tutto. Si iniziò così a costruire i
transistori, un centinaio alla volta, su di una
piastrina di silicio.
Il primo circuito integrato costruito
con il processo
planare
Con il processo planare, visto che i transistori erano costruiti uno accanto
all’altro, venne naturale pensare di collegarli insieme, realizzando così il circuito
integrato, una svolta decisiva per la microelettronica.
Un circuito integrato è costituito da un singolo modulo (chip) di materiale
semiconduttore, di pochi millimetri di lato, entro cui sono costruiti e
interconnessi diversi tipi di componenti diodi, transistor , resistori ecc.
Tutti questi componenti sono prodotti
introducendo in maniera controllata piccole
quantità di impurità di diverso tipo in una singola
fetta (wafer) di silicio.
I circuiti integrati hanno trovato immediata
applicazione nella costruzione dei computer oltre
per le piccole dimensioni e il basso consumo,
anche per il fatto che i segnali elettrici in un
cristallo si propagano molto rapidamente.
Wafer di silicio
Ulteriore tappa fondamentale della microelettronica fu l’invenzione di un nuovo
tipo di transistore, il transistore MOS (Metallo Ossido Semiconduttore), che una
volta perfezionato cominciò a sostituire i transistori bipolari usati in tutti i primi
circuiti integrati. Con l’invenzione del processo MOS fu possibile costruire le
prime memorie a semiconduttore e il primo microprocessore.
Nel 1965, Gordon Moore, uno dei due
fondatori dell’Intel (1968), allora capo dei
laboratori di ricerca della Fairchild
Semiconductor, osservò che ogni anno il
numero di transistori in un circuito integrato
raddoppiava, pronosticando
che questo comportamento sarebbe
continuato nel futuro. Questa osservazione
venne più tardi chiamata la legge di Moore.
Scema di un MOS-FET
Nel campo dei microprocessori il progresso è stato
sorprendente.
Il primo microprocessore, l’Intel 4004, introdotto nel
mercato nel 1971, integrava circa 2300 transistori in
un’area di 12 mm2, era in grado di eseguire circa
100.000 istruzioni al secondo, operanti su 4 bit alla
frequenza di circa 750 kHz.
Primo microprocessore
Intel 4004 (1971)
Se confrontiamo il 4004 con il microprocessore Intel
Xeon L5420, introdotto all’inizio del 2008, possiamo
verificare lo straordinario progresso fatto in 37 anni.
Lo Xeon integra circa 820 milioni di transistori, occupa
un’area di 210 mm2 esegue fino a 20 miliardi di
istruzioni per secondo, ciascuna operante su 64 bit. La
frequenza di clock è di 2,5 GHz e durante ciascun
periodo di clock, il chip esegue fino ad 8 istruzioni in
parallelo.
Intel Xeon L5420
(2008)
Nella storia del progresso tecnologico, la microelettronica ha superato di gran
lunga qualsiasi altra disciplina nell’aumentare le prestazioni nel tempo,
mantenendo lo stesso costo.
Oggi sta incontrando difficoltà sempre più grandi, mano a mano che ci
avviciniamo alle dimensioni molecolari.
L’industria dei semiconduttori ha fatto
ricerca per molti anni allo scopo di
scoprire materiali ad alta costante
dielettrica da sostituire al silicio. Solo così
è possibile aumentare le prestazioni del
transistore.
Malgrado queste difficoltà, si ipotizza che
sarà possibile avere chip dell’ordine delle
decine di nm in produzione nel 20152020, allungando solo di poco la tabella di
marcia prevista dalle legge di Moore.
La nanoelettronica è oggi più scienza che tecnologia. Di fatto non ha ancora
raggiunto il livello di commercializzazione benché il progresso negli ultimi dieci
anni sia stato fenomenale.
Alla scala del nanometro esistono proprietà
elettriche e magnetiche sorprendenti in
materiali sia vecchi che nuovi.
Il problema da risolvere è ben maggiore di
quello di fare semplicemente un transistore più
piccolo. È necessario anche che il nuovo
dispositivo sia molto più veloce, dissipi molta
meno energia, sia collegabile ad altri dispositivi
a costo inferiore e con affidabilità almeno
equivalente a quella dei circuiti integrati
convenzionali. Un problema monumentale!
Transistore quantum-dot, fabbricato
su di un nastro di grafene largo
qualche nanometro all’Università di
Manchester nel 2007. Il transistore è
al centro dell’immagine, ma non è
visibile. Le strutture visibili sono i
contatti elettrici con
il grafene.
Per far ciò è necessario trovare un nanomateriale con proprietà di conduzione
elettrica eccezionali.
Si ipotizza che questo materiale possa essere il grafene.
Il grafene è una delle molte forme allotropiche del carbonio, è stato isolato per
la prima volta nel 2004.
Si tratta di un solo strato molecolare di carbonio dove gli atomi sono disposti in
un reticolato esagonale su di una superficie piana.
Immagine al microscopio a forza
atomica di un singolo strato di
grafene
Il grafene è composto da un solo strato molecolare di carbonio, con un atomo di
carbonio su ciascun vertice di un reticolato esagonale il cui lato misura 0,142 nm.
La mobilità degli elettroni nel grafene è molto più alta della mobilità degli elettroni
nel silicio, dando la possibilità teorica di fare transistori delle dimensioni di pochi
nanometri che possono operare alla frequenza di un Tera Hertz (1000 GHz)
Struttura del grafene
Non si può fare a meno di notare la possibilità
concreta e inaspettata che l’hardware del futuro
possa anch’esso essere basato sul carbonio, lo stesso
elemento magico che ha permesso alla natura di
evolvere la vita e creare la nanomacchina più avanzata
del sistema solare: l’uomo
Record in miniatura: il transistor
composto soltanto da un atomo
È il limite della fisica: realizzato in Australia
Arriva dieci anni prima del previsto
È un record in miniatura: un gruppo di scienziati
australiani ha prodotto il transistor più piccolo al mondo.
È perfettamente funzionante, fatto con un solo atomo di
fosforo posizionato con estrema precisione su una
superficie di silicio. I transistor sono dei piccoli dispositivi
elettronici a semiconduttore, dotati di tre o più terminali,
in grado di amplificare la potenza di un segnale elettrico.
Sono componenti principali della microelettronica: tanto
più è possibile sistemarne su una singola superficie,
quanto più efficiente sarà un chip. Tuttavia, il team di
fisici attorno a Martin Fuechsle dell'università australiana
del Nuovo Galles del Sud a Sydney, placa gli animi e
ammette che ci vorranno ancora anni fino a quando la
tecnica potrà essere messa in pratica.
Dal Corriere della Sera.it – Scienze
Febbraio 2012
Realizzato da
Bizzarro Giuseppe – 5a C
Di Maio Nicola – 3a C
Laurenza Pasquale – 5a C
Lieto Raffaele – 4a C
Marino Pietro – 5a C
Mozzillo Giuseppe – 3a C
Piccolo Antonio – 4a C
Piccolo Luigi – 5a C
Russo Gaspare – 5a C
Vitale Fabio – 5a C
Vitale Pasquale – 5a C
Referente : Prof. Vincenzo Serafino