Elettronica allo stato solido: dall’uovo elettrico ai circuiti

Dall’uovo elettrico all’elettronica allo stato solido. Il primo tentativo di creare una lampada elettrica risale al 1813; fu Sir Humphry Davy, chimico e fisico del Regno Unito, a provare a crearla con le sue conoscenze. Davy utilizzò due bastoncini di carbonella di legna, tra i quali far scoccare un arco elettrico. I due bastoncini erano rinchiusi in un ampolla di vetro allo scopo di evitare la rapida combustione degli stessi. L’aria contenuta nell’ampolla era rarefatta con l’utilizzo di un’altra macchina, e il tutto era alimentato da una serie di pile. Successivamente sarà Foucault a sostituire i bastoncini a carbone di legna.

Swan, poi Edison: l’elettronica allo stato solido

Per arrivare all’elettronica allo stato solido ci sono volute varie invenzioni. L’invenzione della valvola termoionica è insospettabilmente legata all’ideazione delle lampadine. Wilson Swsan, chimico e inventore inglese, nel 1878 brevettò un primo tipo. Questa prima lampadina era costruita da uno spesso filamento di carbonio che, riscaldato, emetteva luce e gas. La creazione di Swan presentò subito due difetti: il primo era la facile rottura del filamento; il secondo era un deposito di gas scuro che in breve tempo ricoprivano tutta l’ampolla rendendola inutilizzabile.

L’invenzione venne poi migliorata da Thomas Edison, inventore e imprenditore americano, il quale ridusse prima lo spessore del filamento e poi aggiunse un filo metallico all’interno del bulbo, tentando cosi di preservare la trasparenza del vetro. Egli pensò che le particelle di gas fossero cariche elettricamente e che fossero emesse dal filamento. Edison verificò che le particelle di gas staccatesi dal filamento, cariche negativamente venivano attirate dalla barriera collegata al positivo invece che depositarsi sul bulbo.

Il triodo

La realizzazione della prima valvola fu ad opera di Lee De Forest, scienziato e inventore statunitense, il quale, in collaborazione con la Western Electric, aveva realizzato un ricevitore telegrafico senza fili. Nel 1906, partendo dal diodo di Fleming, creò il tubo a vuoto, tubo nel quale tra anodo e catodo frappose un terzo elemento metallico, a forma di griglia. Questa griglia permetteva il controllo del flusso elettronico determinando cosi un effetto amplificatore di un piccolo segnale ad esso applicato. Nacque cosi l’Audion.

Nel 1914 la A.T.&T., azienda di linee telefoniche, utilizzò l’amplificatore di De Forest come ripetitore sulle sue linee di lunga distanza. Iniziò cosi con la prima valvola termoionica a tre elementi, il triodo, ovvero il primo dispositivo a poter garantire l’amplificazione di un segnale il lungo cammino verso l’elettronica allo stato solido.

Elettronica allo stato solido: amplificatori

Oggi giorno gli amplificatori sono per la maggior parte costruiti con l’elettronica allo stato solido, e sono di uso comune in dispositivi elettronici, sia analogici che digitali. Tra i sistemi elettronici che contengono amplificatori vi sono: telefoni cellulari, sistemi audio, lettori DVD, GPS. Lo scopo degli amplificatori contenuti in  questi device è amplificare i segnali analogici di piccola ampiezza in segnali adeguati alla conversione analogico-digitale modificandone opportunamente l’ampiezza.

Gli stati Uniti sono stati i primi ad implementare circuiti semiconduttori in campo militare, grazie ai molti vantaggi offerti da questi circuiti: ridotte dimensioni, elevata affidabilità, ridotti consumi. Mentre nel resto del mondo si faceva ancora un intenso uso di vecchie tecnologie a valvole. Ma non sempre le innovazioni si rivelano subito all’altezza delle aspettative o delle tecnologie che le hanno precedute.

Si narra infatti che negli anni Sessanta, durante esercitazioni di guerra in un sito usato per dei test atomici e quindi estremamente radioattivo, l’aereonautica americana osservò che i propri aerei da combattimento, i quali possedevano già tutta l’avionica basata su semiconduttori, i Transistor, si erano dimostrati vulnerabili e inferiori a quelli sovietici. I caccia sovietici, con l’avionica ancora tutta costituita di circuiti basati sulla vecchia tecnologia delle valvole termoioniche. Tale tecnologia in quegli anni iniziava a cedere il testimone all’elettronica allo stato solido, ma si rivelò molto più affidabile e molto meno sensibile alle radiazioni, al contrario di quella americana.

Circuiti a prova di radiazioni

In quegli stessi anni nacquero aziende specializzate nella produzione di circuiti integrati resistenti alle radiazioni “Radiation-hardned electronics”. In effetti trascorsero molti anni prima che i primi transistor al germanio sostituissero del tutto le valvole avendo questi ultimi dei grossi limiti. Ancora oggi, le valvole, non sono state completamente abbandonate occupando ancora una nicchia circoscritta di applicazioni per le quali funzionano benissimo e meglio della tecnologia elettronica allo stato solido.

Scopo principale delle valvole termoioniche era di amministrare gli elettroni emessi da un filo arroventato e che circolando liberi nel vuoto ne creano l’effetto amplificatore, mentre nella tecnologia a transistor gli elettroni si muovono in un corpo solido.