Dispositivo a semiconduttore

Rivelatore di baffi di gattoModifica

I semiconduttori erano stati usati nel campo dell’elettronica per un po’ di tempo prima dell’invenzione del transistor. Intorno alla fine del XX secolo erano abbastanza comuni come rivelatori nelle radio, utilizzati in un dispositivo chiamato “baffo di gatto” sviluppato da Jagadish Chandra Bose e altri. Questi rivelatori erano in qualche modo fastidiosi, tuttavia, richiedendo all’operatore di muovere un piccolo filamento di tungsteno (il baffo) intorno alla superficie di un cristallo di galena (solfuro di piombo) o carborundum (carburo di silicio) fino a quando improvvisamente ha iniziato a funzionare. Poi, in un periodo di alcune ore o giorni, il baffo del gatto avrebbe lentamente smesso di funzionare e il processo avrebbe dovuto essere ripetuto. All’epoca il loro funzionamento era completamente misterioso. Dopo l’introduzione delle radio a tubi a vuoto, più affidabili e amplificate, i sistemi a baffo di gatto sono rapidamente scomparsi. Il “baffo di gatto” è un esempio primitivo di un tipo speciale di diodo ancora oggi popolare, chiamato diodo Schottky.

Raddrizzatore metallicoModifica

Un altro primo tipo di dispositivo a semiconduttore è il raddrizzatore metallico in cui il semiconduttore è l’ossido di rame o il selenio. Westinghouse Electric (1886) era uno dei principali produttori di questi raddrizzatori.

Seconda guerra mondialeModifica

Durante la seconda guerra mondiale, la ricerca radar ha rapidamente spinto i ricevitori radar ad operare a frequenze sempre più alte e i tradizionali ricevitori radio a tubi non funzionavano più bene. L’introduzione del magnetron a cavità dalla Gran Bretagna agli Stati Uniti nel 1940 durante la missione Tizard portò ad un bisogno pressante di un amplificatore pratico ad alta frequenza.

Per un capriccio, Russell Ohl dei Bell Laboratories decise di provare un baffo di gatto. A questo punto non erano stati utilizzati per un certo numero di anni, e nessuno ai laboratori ne aveva uno. Dopo averne trovato uno in un negozio di radio usate a Manhattan, scoprì che funzionava molto meglio dei sistemi a tubi.

Ohl indagò sul perché il baffo di gatto funzionasse così bene. Passò la maggior parte del 1939 cercando di far crescere versioni più pure dei cristalli. Ben presto scoprì che con cristalli di qualità superiore il loro comportamento schizzinoso scompariva, ma anche la loro capacità di funzionare come un rivelatore radio. Un giorno trovò uno dei suoi cristalli più puri che tuttavia funzionava bene, e aveva una crepa chiaramente visibile vicino al centro. Tuttavia, mentre si muoveva nella stanza cercando di testarlo, il rivelatore funzionava misteriosamente, e poi si fermava di nuovo. Dopo qualche studio scoprì che il comportamento era controllato dalla luce nella stanza – più luce causava più conduttanza nel cristallo. Invitò diverse altre persone a vedere questo cristallo, e Walter Brattain si rese subito conto che c’era una sorta di giunzione nella crepa.

Ulteriori ricerche chiarirono il mistero rimanente. Il cristallo si era incrinato perché entrambi i lati contenevano quantità molto leggermente diverse di impurità che Ohl non poteva rimuovere – circa lo 0,2%. Un lato del cristallo aveva impurità che aggiungevano elettroni extra (i portatori di corrente elettrica) e lo rendevano un “conduttore”. L’altro aveva impurità che volevano legarsi a questi elettroni, rendendolo (quello che lui chiamava) un “isolante”. Poiché le due parti del cristallo erano in contatto l’una con l’altra, gli elettroni potevano essere spinti fuori dalla parte conduttrice che aveva elettroni in più (presto conosciuta come emettitore) e sostituiti da quelli nuovi che venivano forniti (da una batteria, per esempio) dove sarebbero fluiti nella parte isolante ed essere raccolti dal filamento di baffi (chiamato collettore). Tuttavia, quando la tensione veniva invertita, gli elettroni che venivano spinti nel collettore riempivano rapidamente i “buchi” (le impurità bisognose di elettroni), e la conduzione si fermava quasi istantaneamente. Questa giunzione dei due cristalli (o parti di un cristallo) creava un diodo allo stato solido, e il concetto divenne presto noto come semiconduzione. Il meccanismo di azione quando il diodo è spento ha a che fare con la separazione dei portatori di carica intorno alla giunzione. Questa è chiamata “regione di esaurimento”.

Sviluppo del diodoModifica

Armati della conoscenza di come funzionavano questi nuovi diodi, iniziò un vigoroso sforzo per imparare a costruirli su richiesta. Squadre della Purdue University, dei Bell Labs, del MIT e dell’Università di Chicago unirono le forze per costruire cristalli migliori. Nel giro di un anno la produzione di germanio era stata perfezionata al punto che i diodi di tipo militare venivano usati nella maggior parte dei radar.

Sviluppo del transistorModifica

Dopo la guerra, William Shockley decise di tentare la costruzione di un dispositivo a semiconduttore simile al triodo. Si assicurò finanziamenti e spazio in laboratorio, e andò a lavorare sul problema con Brattain e John Bardeen.

La chiave per lo sviluppo del transistor fu l’ulteriore comprensione del processo della mobilità degli elettroni in un semiconduttore. Ci si rese conto che se ci fosse stato un modo per controllare il flusso degli elettroni dall’emettitore al collettore di questo diodo appena scoperto, si sarebbe potuto costruire un amplificatore. Per esempio, se i contatti sono posti su entrambi i lati di un singolo tipo di cristallo, la corrente non scorrerà tra loro attraverso il cristallo. Tuttavia, se un terzo contatto potesse “iniettare” elettroni o buchi nel materiale, la corrente scorrerebbe.

In realtà fare questo sembra essere molto difficile. Se il cristallo fosse di qualsiasi dimensione ragionevole, il numero di elettroni (o buchi) necessari per essere iniettati dovrebbe essere molto grande, rendendolo meno utile come amplificatore perché richiederebbe una grande corrente di iniezione per iniziare. Detto questo, l’intera idea del diodo di cristallo era che il cristallo stesso potesse fornire gli elettroni su una distanza molto piccola, la regione di esaurimento. La chiave sembrava essere quella di posizionare i contatti di ingresso e di uscita molto vicini sulla superficie del cristallo su entrambi i lati di questa regione.

Brattain ha iniziato a lavorare sulla costruzione di un tale dispositivo, e allettanti accenni di amplificazione hanno continuato ad apparire mentre il team lavorava al problema. A volte il sistema funzionava ma poi smetteva di funzionare inaspettatamente. In un caso un sistema non funzionante ha iniziato a funzionare quando è stato messo in acqua. Ohl e Brattain alla fine svilupparono un nuovo ramo della meccanica quantistica, che divenne noto come fisica delle superfici, per spiegare il comportamento. Gli elettroni in qualsiasi parte del cristallo migrerebbero a causa delle cariche vicine. Gli elettroni negli emettitori, o i “buchi” nei collettori, si raggrupperebbero sulla superficie del cristallo dove potrebbero trovare la loro carica opposta che “galleggia” nell’aria (o nell’acqua). Eppure potrebbero essere spinti via dalla superficie con l’applicazione di una piccola quantità di carica da qualsiasi altro punto del cristallo. Invece di aver bisogno di una grande fornitura di elettroni iniettati, un numero molto piccolo nel posto giusto sul cristallo avrebbe realizzato la stessa cosa.

La loro comprensione ha risolto il problema di aver bisogno di un’area di controllo molto piccola in qualche misura. Invece di avere bisogno di due semiconduttori separati collegati da una regione comune, ma minuscola, servirebbe una singola superficie più grande. I conduttori che emettono elettroni e quelli che li raccolgono sarebbero entrambi posizionati molto vicini sulla parte superiore, con il conduttore di controllo posto sulla base del cristallo. Quando la corrente scorreva attraverso questo cavo “base”, gli elettroni o i buchi sarebbero stati spinti fuori, attraverso il blocco di semiconduttore, e raccolti sulla superficie lontana. Finché l’emettitore e il collettore erano molto vicini, questo dovrebbe permettere abbastanza elettroni o buchi tra loro per permettere l’inizio della conduzione.

Il primo transistorModifica

Una replica stilizzata del primo transistor

Il team Bell fece molti tentativi di costruire un tale sistema con vari strumenti, ma generalmente fallirono. Le configurazioni in cui i contatti erano abbastanza vicini erano invariabilmente fragili come lo erano stati i rilevatori di baffi di gatto originali, e avrebbero funzionato brevemente, se non del tutto. Alla fine hanno avuto una svolta pratica. Un pezzo di lamina d’oro fu incollato al bordo di un cuneo di plastica, e poi la lamina fu tagliata con un rasoio sulla punta del triangolo. Il risultato erano due contatti d’oro molto ravvicinati. Quando il cuneo veniva spinto sulla superficie di un cristallo e si applicava una tensione all’altro lato (alla base del cristallo), la corrente iniziava a fluire da un contatto all’altro perché la tensione di base spingeva gli elettroni dalla base verso l’altro lato vicino ai contatti. Il transistor a contatto puntiforme era stato inventato.

Sebbene il dispositivo fosse stato costruito una settimana prima, gli appunti di Brattain descrivono la prima dimostrazione ai piani alti dei Bell Labs nel pomeriggio del 23 dicembre 1947, spesso indicata come la data di nascita del transistor. Quello che ora è conosciuto come il “transistor al germanio p-n-p point-contact” funzionava come un amplificatore vocale con un guadagno di potenza di 18 in quella prova. John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 1956 per il loro lavoro.

Origine del termine “transistor “Edit

I Bell Telephone Laboratories avevano bisogno di un nome generico per la loro nuova invenzione: “Semiconductor Triode”, “Solid Triode”, “Surface States Triode”, “Crystal Triode” e “Iotatron” furono tutti considerati, ma “transistor”, coniato da John R. Pierce, vinse una votazione interna. La logica del nome è descritta nel seguente estratto dai memorandum tecnici dell’azienda (28 maggio 1948) che invitava a votare:

Transistor. Questa è una combinazione abbreviata delle parole “transconduttanza” o “trasferimento”, e “varistore”. Il dispositivo appartiene logicamente alla famiglia dei varistori, e ha la transconduttanza o l’impedenza di trasferimento di un dispositivo con guadagno, così che questa combinazione è descrittiva.

Miglioramenti nella progettazione dei transistorModifica

Shockley era arrabbiato perché il dispositivo era accreditato a Brattain e Bardeen, che riteneva lo avessero costruito “alle sue spalle” per prenderne la gloria. Le cose peggiorarono quando gli avvocati dei Bell Labs scoprirono che alcuni degli scritti di Shockley sul transistor erano abbastanza simili a quelli di un precedente brevetto del 1925 di Julius Edgar Lilienfeld e pensarono che fosse meglio lasciare il suo nome fuori dalla domanda di brevetto.

Shockley era incensurato, e decise di dimostrare chi era il vero cervello dell’operazione. Pochi mesi dopo inventò un tipo di transistor completamente nuovo, molto più robusto, con una struttura a strati o a “sandwich”. Questa struttura è stata utilizzata per la maggior parte dei transistor negli anni ’60 e si è evoluta nel transistor a giunzione bipolare.

Risolto il problema della fragilità, rimaneva il problema della purezza. Produrre germanio della purezza richiesta si stava dimostrando un problema serio, e limitava la resa dei transistor che effettivamente funzionavano da un dato lotto di materiale. La sensibilità del germanio alla temperatura limitava anche la sua utilità. Gli scienziati teorizzarono che il silicio sarebbe stato più facile da fabbricare, ma pochi studiarono questa possibilità. Gordon K. Teal fu il primo a sviluppare un transistor di silicio funzionante e la sua azienda, la nascente Texas Instruments, approfittò del suo vantaggio tecnologico. Dalla fine degli anni ’60 la maggior parte dei transistor erano basati sul silicio. Nel giro di pochi anni apparvero sul mercato prodotti a base di transistor, in particolare radio facilmente portatili.

Il transistor a induzione statica, il primo transistor ad alta frequenza, fu inventato dagli ingegneri giapponesi Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe nel 1950. È stato il transistor più veloce fino agli anni ’80.

Un importante miglioramento della resa di fabbricazione si ebbe quando un chimico consigliò alle aziende che fabbricavano semiconduttori di usare acqua distillata piuttosto che acqua di rubinetto: gli ioni di calcio presenti nell’acqua di rubinetto erano la causa della scarsa resa. La “fusione a zone”, una tecnica che utilizza una banda di materiale fuso che si muove attraverso il cristallo, aumentò ulteriormente la purezza del cristallo.

Semiconduttore metallo-ossido (MOS)Edit

Negli anni ’50, Mohamed Atalla studiò le proprietà superficiali dei semiconduttori di silicio ai Bell Labs, dove propose un nuovo metodo di fabbricazione di dispositivi a semiconduttore, rivestendo un wafer di silicio con uno strato isolante di ossido di silicio in modo che l’elettricità potesse penetrare in modo affidabile nel silicio conduttore sottostante, superando gli stati superficiali che impedivano all’elettricità di raggiungere lo strato semiconduttore. Questo è noto come passivazione superficiale, un metodo che è diventato fondamentale per l’industria dei semiconduttori in quanto ha reso possibile la produzione di massa di circuiti integrati in silicio (IC). Basandosi sul suo metodo di passivazione superficiale, sviluppò il processo del semiconduttore a ossido di metallo (MOS), che propose di utilizzare per costruire il primo transistor a effetto campo (FET) al silicio funzionante. Ciò portò all’invenzione del MOSFET (transistor a effetto di campo MOS) da parte di Mohamed Atalla e Dawon Kahng nel 1959. Grazie alla sua scalabilità, al consumo di energia molto più basso e alla densità più elevata rispetto ai transistor a giunzione bipolare, il MOSFET è diventato il tipo di transistor più comune nei computer, nell’elettronica e nelle tecnologie di comunicazione come gli smartphone. Lo US Patent and Trademark Office chiama il MOSFET una “invenzione rivoluzionaria che ha trasformato la vita e la cultura in tutto il mondo”.

CMOS (MOS complementare) è stato inventato da Chih-Tang Sah e Frank Wanlass alla Fairchild Semiconductor nel 1963. Il primo rapporto di un MOSFET a porta flottante fu fatto da Dawon Kahng e Simon Sze nel 1967. FinFET (fin field-effect transistor), un tipo di MOSFET 3D multi-gate, è stato sviluppato da Digh Hisamoto e dal suo team di ricercatori dell’Hitachi Central Research Laboratory nel 1989.