Il transistor: un dispositivo che ha cambiato la storia dell’elettronica per sempre

La consapevolezza che i transistor hanno cambiato il mondo è una conoscenza piuttosto comune, ma ciò che potrebbe essere non abbastanza conosciuta è la storia delle persone che hanno favorito questo cambiamento. Dopotutto, il transistor non è apparso dall’oggi al domani, ma ci sono voluti anni di tentativi ed errori per passare lentamente dai tubi a vuoto ai transistor al germanio e in seguito a quelli in silicio. La storia della scoperta dei transistor è una storia di battaglie tra due giganti della tecnologia come Texas Instruments e Bell Labs.

Tutto ebbe inizio grazie all’invenzione del telefono

I brevetti telefonici di Alexander Graham Bell del 1906 rappresentano un cambiamento significativo nell’industria delle telecomunicazioni e permisero la realizzazione della prima linea telefonica transcontinentale. Questa rete telefonica è stata resa possibile grazie all’inventore americano De Forest, che ha creato il dispositivo Audion un tubo a vuoto in grado di amplificare i segnali di una linea telefonica. Ciò ha consentito l’invio di comunicazioni attraverso un intero continente a velocità inaspettate, purché lungo il percorso ci fossero delle scatole di commutazione. L’invenzione di De Forest è nota altresì con il nome di triodo (1906), un tubo elettronico che anziché avere due elettrodi come il diodo, ne ha un terzo, la cosiddetta griglia di comando.

Il triodo di De Forest ha reso possibile una conversazione telefonica da una costa all’altra dell’America. Ma questa soluzione non era priva di problemi. I tubi a vuoto usavano troppa energia, generavano una grande quantità di calore ed erano poco affidabili. C’era bisogno di un’alternativa e gli scienziati del Bell Labs avevano già un’idea grazie agli studi sui materiali semiconduttori.

Il transistor come sostituto del tubo a vuoto

La ricerca sui materiali semiconduttori è stata intensificata dopo la seconda guerra mondiale e in quel tempo al Bell Labs veniva riunito un team di scienziati per realizzare un interruttore a stato solido che sostituisse il tubo a vuoto. Questo team era composto da alcune menti brillanti dell’epoca, tra cui il famigerato trio Bill Shockley, Walter Brattain e John Bardeen.

Il modo di rapportarsi dei tre non era decisamente roseo. Shockley possedeva una personalità un po’ ruvida e, isolandosi dal gruppo, trascorreva la maggior parte delle sue ore a lavorare da solo in casa. Durante il suo isolamento Shockley riuscì a sviluppare il suo primo progetto per un amplificatore a semiconduttore. Il dispositivo non funzionava come previsto e Shockley chiese a Bardeen e Brattain di scoprirne le motivazioni. I due iniziarono un esperimento con il germanio e il 16 dicembre 1947 furono in grado di costruire il loro primo transistor a punte di contatto.

Il dispositivo era costituito da un triangolo di plastica rivestito da un sottile strato d’oro, una configurazione che costituisce in sostanza un diodo a contatto. Sull’estremità del triangolo la lamina d’oro era stata tagliata con cura in modo da formare due contatti dorati molto vicini, ma isolati elettricamente. I due contatti poggiati su una lastra di germanio formano un dispositivo a tre terminali: l’emettitore, il collettore e la base. Una carica elettrica positiva sull’emettitore influenzava la conducibilità tra il collettore e la base su cui era montata la lastra di germanio. In particolare era stato notato un’amplificazione di corrente tra il collettore e la base. Questa scoperta è stata un’enorme vittoria per il team di scienziati, tuttavia c’era un piccolo problema: Bardeen e Brattain avevano inizialmente lasciato Shockley all’oscuro di tutto.

Solo in un secondo momento i due chiamarono Shockley per comunicargli cosa avevano scoperto. Quando la notizia fu rivelata, Shockley rimase sconvolto poiché era stato tagliato fuori dall’intero progresso. Allora, Shockley incanalò tutta la sua rabbia in un progetto personale in modo da stupire Bardeen e Brattain con una sua invenzione.

Per le successive quattro settimane, Shockley si chiuse in una stanza d’albergo a Chicago e proprio durante questo periodo ha sviluppato quello che ora è noto come transistor a giunzione. L’invenzione di Shockley fu sensazionale, fornendo un design più resistente e facile da produrre rispetto al transistor dei due colleghi.

E così i tre fecero la storia mettendo in atto un brevetto, ma il trio si sciolse presto come un gruppo di bambini permalosi, discutendo sul nome che avrebbe dovuto avere il dispositivo brevettato e su chi sarebbe apparso nelle fotografie di propaganda.

Il 30 giugno 1948 l’invenzione venne presentata al mondo intero, ma con grande sgomento di Shockley la nuova invenzione non suscitò l’interesse degli esperti. Pertanto, come qualunque altro inventore avrebbe fatto quando la propria invenzione non ottiene l’interesse che merita, Shockley lascia i Bell labs e forma la sua azienda portando con sé un gruppo di‎‎ talentuosi scienziati.

‎La nuova azienda, la Shockley Semiconductor, ebbe una vita breve a causa della forte personalità di Shockley.  Alcuni ‎‎dei suoi dipendenti lasciarono l’azienda e formarono quelle che adesso sono la ‎‎Fairchild Semiconductor e‎‎ Intel. Nacque così l’industria dei semiconduttori. ‎

I limiti del transistor al Germanio

Il germanio era il materiale semiconduttore di riferimento all’epoca dell’invenzione dei transistor, questo possedeva sia aspetti positivi che negativi. Rispetto al silicio aveva una temperatura di fusione più bassa, una tensione di soglia inferiore e forniva una risposta in frequenza più elevata. ‎

‎Tuttavia, la necessità di trovare un sostituto adeguato per il germanio era abbastanza chiara a causa della scarsa stabilità termica. All’aumentare della temperatura veniva a mancare il delicato equilibrio tra le giunzioni del transistor, rendendo difficile il controllo degli elettroni liberi. ‎ In pratica la corrente aumentava all’aumentare della temperatura e superati i 75 °C il transistor diventava praticamente inutile. Così, scienziati e tecnici iniziarono a guardare con rinnovato interesse al silicio che aveva un pregio insuperabile: era molto diffuso in natura, si trovava persino nella polvere, per cui i costi di produzione sarebbero stati fortemente più bassi.

La corsa al Silicio

La ricerca sul silicio era in corso dai primi anni ’50 ai Bell Labs, dove Gordon Teal ed Ernie Buehler crescevano cristalli per realizzare i primi diodi a stato solido. Ma il soggiorno di Gordon ai Bell Labs durò poco in quanto il suo desiderio era quello di tornare a casa in Texas e così fece, trovando un lavoro alla Texas Instruments Inc.

Gordon aveva alcuni problemi con la crescita del silicio, infatti questo materiale aveva livelli di impurità più alti rispetto al germanio, e creare un transistor di giunzione NPN o PNP di successo era diventata una sfida abbastanza difficile. Così Gordon e il suo team dovettero combattere con questo problema per più di un anno. Nell’aprile 1954 il loro duro lavoro diede alla fine dei frutti, riuscendo ad ottenere il grado di purezza ambito per il silicio. Cosi, il team di Gordon è stato in grado di realizzare la prima struttura del transistor NPN in silicio.

Il transistor al Silicio: la presentazione al grande pubblico

È il 10 maggio 1954, quando un gruppo di ingegneri si riunirono all’Institute of Radio Engineers (IRE) per una Conferenza Nazionale sull’Elettronica. Era abbastanza chiara la sfida in quel periodo che tutti gli scienziati stavano affrontando per rendere il silicio un materiale alternativo al germanio, così in quella conferenza entra in scena Gordon che sale sul palco per annunciare che la Texas Instruments aveva tre diversi tipi di transistor al silicio in produzione.

Per dimostrare che era reale, Gordon accese un giradischi amplificato dai transistor al germanio e versò un bicchiere d’olio caldo sul dispositivo, ovviamente la musica si fermò. Poi Gordon ha riprodotto la dimostrazione con il giradischi amplificato dai transistor al silicio. Mentre versava olio caldo sul giradischi, la musica continuava a suonare senza intoppi. E così il nuovo transistor al silicio fu mostrato al pubblico presente e al mondo intero. Oggi, la prova di questa scoperta è intorno a noi, nei nostri smartphone, laptop e nei tanti dispositivi di cui ci serviamo.