Storia dell'informatica parte 4: Transistor - grazie a loro il computer funziona

Kevin Hofer

9.10.2018

Traduzione: tradotto automaticamente

I semiconduttori sono parte integrante dei computer. Sono loro a muovere i tuoi dispositivi digitali. Nella quarta parte della storia dell'informatica, scoprirai l'importanza dei transistor.

Si, lo so, nell'ultima parte ho promesso di scrivere di mainframe, sistemi operativi e linguaggi di programmazione. Ma l'utente Speznaz voleva leggere qualcosa di più sui transistor. Dato che c'è molto da scrivere, ho deciso di dedicare ai transistor una parte a parte.

Il transistor in breve

Il transistor è stato sviluppato tra il 1947 e il 1948 dai fisici americani John Bardeen, Walter H. Brattain e William B. Shockley. Negli anni '50 i transistor sostituirono i tubi elettronici come portatori di bit. I transistor sono piccoli, generano poco calore, richiedono poca energia e sono molto affidabili. Hanno reso possibile la creazione di circuiti piccoli e complessi.

Transistor è una parola portmanteau ed è formata dai due termini inglesi transfer e resistor. Il nome indica quindi già la funzione di base del transistor. Ma di questo parleremo più avanti. Il nome fu coniato da John Robinson Pierce, dipendente dei laboratori Bell e autore di libri di fantascienza, nel maggio del 1948. Gli scopritori dell'effetto transistor, Bardeen, Brattain e Shockley, sono stati insigniti del Premio Nobel per la Fisica nel 1956 per la loro scoperta.

Lavoro preliminare

I tubi a elettroni sono grandi, fragili, consumano molta energia e la loro durata è relativamente breve. Gli interruttori o i relè elettromeccanici sono lenti e inaffidabili perché spesso si bloccano nella posizione di accensione o spegnimento. In sistemi con migliaia di tubi, quindi, raggiungono rapidamente i loro limiti e devono essere costantemente monitorati per prevenire i guasti.
Gli sviluppatori di computer hanno deciso di sviluppare un sistema di controllo per la gestione dei dati.
Gli sviluppatori di computer si sono trovati di fronte a questi problemi negli anni Quaranta. I semiconduttori si offrirono quindi come alternativa. La conducibilità elettrica del silicio e del germanio si colloca tra quella dei non conduttori come il vetro e quella dei conduttori come l'alluminio. Già all'inizio del XX secolo i ricercatori scoprirono che le proprietà conduttive dei semiconduttori possono essere manipolate con l'aggiunta di impurità.

Come spesso accade, è stata la ricerca militare a favorire lo sviluppo del transistor. In questo caso, si trattava di ricerca sui radar. I ricevitori supereterodina sono utilizzati per ricevere le onde radio. Richiedono diodi raddrizzati che funzionano a frequenze altissime, superiori a un gigahertz. I tubi elettronici non sono in grado di farlo.

Rettificatori con uno strato di silicio o di germanio si inseriscono nella breccia. Due conduttori di tungsteno vengono inseriti in questi materiali semiconduttori, che a loro volta sono dotati di impurità come boro o fosforo. Queste spostano gli atomi di silicio o germanio e generano portatori di carica come gli elettroni. A seconda del tipo di portatore di carica o della tensione generata, la corrente può entrare nello strato di silicio o germanio attraverso un cavo e uscire dall'altro. Questo funziona anche al contrario, ma mai in entrambe le direzioni. I ricevitori supereterodina dotati di tali raddrizzatori erano in grado di operare nella gamma dei gigahertz. Ciò ha permesso di rilevare le radiazioni a microonde dai sistemi radar militari.

Cosa c'entra questo con i transistor?

Nel 1925, Julius Edgar Lilienfeld descrisse un componente elettronico che aveva le proprietà di un tubo elettronico. Negli anni '30, la direzione dei Bell Laboratories - l'ex dipartimento di ricerca della compagnia telefonica AT&T - riconobbe le possibilità dei semiconduttori. I semiconduttori avrebbero sostituito i tubi elettronici e gli interruttori elettromeccanici nel sistema telefonico della Bell.

I primi tentativi di produrre transistor durante la Seconda Guerra Mondiale da parte di William B. Shockley fallirono. Dopo la seconda guerra mondiale, il dipartimento di ricerca dei Bell Laboratories fu ristrutturato e fu creato un gruppo di ricerca sotto la direzione di Shockley.

Shockley sosteneva che i transistor avrebbero sostituito i tubi elettronici e gli interruttori elettromeccanici nel sistema telefonico Bell.

Shockley sosteneva che il campo elettrico di un terzo elettrodo sotto lo strato di semiconduttore ne avrebbe aumentato la conduttività. Ciò avrebbe dovuto consentire un flusso di corrente sufficiente attraverso lo strato. Tuttavia, i primi tentativi fallirono di nuovo. Fu John Bardeen, un membro del gruppo di ricerca, a far notare che gli elettroni attirati verso lo strato di semiconduttore dal campo elettrico ne impedivano la penetrazione.

Shockley e Bardeen hanno fatto un passo indietro.

Shockley e Bardeen utilizzarono questa scoperta per sviluppare il transistor di punta verso la fine del 1947. Il funzionamento è simile a quello dei semiconduttori del ricevitore a supereterodina. Quando si applica una tensione alla base, la corrente inizia a fluire attraverso il collettore fino all'emettitore. Fu inventato il primo transistor funzionante.

Se vuoi saperne di più sul funzionamento dei cosiddetti transistor bipolari, ti consiglio l'articolo del Compendio di Elettronica.

Negli anni successivi, i transistor vennero continuamente sviluppati. I primi transistor prodotti in commercio furono venduti già negli anni '50. Inizialmente venivano utilizzati soprattutto negli apparecchi acustici e nelle radio portatili. Con il tempo, vennero utilizzati anche come sostituti dei tubi elettronici nei computer. Alla fine degli anni '50, i transistor avevano quasi completamente sostituito i tubi elettronici nei computer.

Transistor al silicio

I primi transistor erano realizzati in germanio. Questo materiale presenta uno svantaggio significativo. Per muovere gli elettroni attraverso il transistor è necessaria una tensione relativamente bassa. Questo dipende anche dalla temperatura. Se i transistor al germanio non dovrebbero condurre, gli elettroni possono comunque fluire se la temperatura è elevata. Per questo motivo, sono meno adatti per i circuiti nelle zone più calde.

Ecco dove entra in gioco il silicio. Grazie alla sua temperatura di fusione più elevata, è più adatto per i circuiti in aree più calde. Anche Texas Instruments se ne rese conto e iniziò a vendere transistor in silicio nel 1954.

Un altro importante sviluppo per i computer furono i transistor a effetto campo MOS, più precisamente CMOS. Questi sono stati sviluppati da Franchi Wanlass nel 1963. Sono particolarmente adatti per i circuiti integrati perché sono facili da produrre. Verso la fine degli anni '60, i transistor a effetto campo MOS iniziarono a sostituire i transistor bipolari nella produzione di microchip. Dagli anni '80 sono diventati uno standard nelle applicazioni digitali. I transistor bipolari sono utilizzati principalmente nei dispositivi analogici.

Se vuoi saperne di più sul funzionamento dei transistor a effetto di campo MOS, ti consiglio anche l'articolo del Compendio di Elettronica.

Questo è tutto per questa deviazione nel mondo dei transistor. La prossima volta leggerai qualcosa di più sui computer mainframe, sui sistemi operativi e sui linguaggi di programmazione.

Kevin Hofer

Senior Editor

kevin.hofer@digitecgalaxus.ch

Tecnologia e società mi affascinano. Combinarle entrambe e osservarle da punti di vista differenti sono la mia passione.

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