La rivoluzione del transistor: Come i transistor hanno cambiato il mondo

Nella storia umana, diversi traguardi tecnologici hanno ridefinito il progresso umano: la Rivoluzione Agricola, la Rivoluzione Industriale e la scoperta dell'elettricità. Alcune invenzioni hanno cambiato il mondo: il generatore elettrico DC, la lampadina, il telefono, il cemento, AC motors/generatori, aerei, treni, automobili, raggi X e penicillina.

Quando vengono compilate queste liste, spesso un'invenzione viene trascurata: l'invenzione del transistor. Questo articolo esamina la storia dei transistor e evidenzia l'importanza della tecnologia dei transistor nel mondo moderno.

Che cos'è un transistor?

Nella sua forma più semplice, un transistor è un piccolo interruttore a semiconduttore che funziona come un normale interruttore della luce. I transistor regolano o controllano il flusso di corrente o di tensione a livello microscopico. I transistor moderni sono costituiti da tre connettori elettrici: la sorgente, il drain e il gate. Quando un piccolo segnale elettrico viene applicato al gate del transistor, il segnale elettrico primario più grande è consentito attraverso il drain.

Varie configurazioni moderne consentono di applicare a questi terminali diverse tensioni primarie e secondarie, che spesso dipendono dai materiali semiconduttori utilizzati. Ad esempio, i tradizionali transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFETS) basati sul silicio richiedono 1000mm*Rds(on) a una tensione di gate di 5V e una tensione drain-to-source di 200, mentre i semiconduttori in Nitruro di Gallio necessitano solo di 60mm*Rds(on) alle stesse tensioni (una riduzione di 16 volte).

Come vengono utilizzati i transistor?

I transistor sono utilizzati in quasi tutti gli apparecchi elettronici moderni. Sono la base dei circuiti integrati (IC), microchip, microprocessori, FPGA, chip di memoria, interruttori elettronici, alimentatori e molto altro. Di conseguenza, quasi tutti i dispositivi elettronici moderni contengono almeno un transistor, se non milioni di essi.

Ad esempio, un adattatore di ricarica standard per Apple iPhone è costituito da un singolo transistor di commutazione MOSFET ad alta frequenza e un singolo trasformatore flyback. Questi due trasformatori lavorano insieme, insieme a molti altri componenti passivi, per prendere un'ampia gamma di alimentazione AC ‘sporca’ in ingresso e convertirla in tensioni di uscita DC ‘pulite’ e ben filtrate utilizzate per caricare un iPhone.

Un moderno computer personale è composto da miliardi di transistor. Ad esempio, il Dell XPS 15 Laptop utilizza come core la 12ᵗʰ Gen Intel® Core™ i9-12900HK come sua Unità di Elaborazione Centrale (CPU). Mentre Intel non divulga più il totale del conteggio dei transistor, una CPU Apple M1 Max è composta da 57 miliardi di transistor. Nei computer per grafica professionale che utilizzano sia CPU che GPU, il conteggio totale dei transistor può superare centinaia di miliardi.

Una breve storia dei transistor

La base concettuale di un transistor è radicata nei tubi a vuoto termoionici, inventati nel 1907 e utilizzati principalmente nella tecnologia radio, televisori, radar e comunicazioni a lunga distanza. Questi amplificatori a tubo a vuoto consumavano molta energia, erano molto costosi da produrre, potevano essere molto grandi e pesanti, ed erano molto fragili.
 
I tubi a vuoto termoionici usano un segnale di ingresso per controllare il flusso di corrente elettrica tra gli elettrodi. I tubi richiedono un filamento riscaldato in un vuoto, il che consuma energia aggiuntiva e li rende soggetti a guasti catastrofici.
 
I transistor a effetto di campo allo stato solido furono per la prima volta brevettati dal fisico Julius Edgar Lilienfeld nel 1925 in Canada, e successivamente nel 1926 e 1928 negli Stati Uniti. Questi brevetti identificarono i principi dei transistor allo stato solido e il loro utilizzo come soluzione alternativa ai tubi a vuoto termoionici, ma il merito di Lilienfeld come pioniere della tecnologia dei transistor terminò lì. Negli anni '20, la capacità di produrre i materiali semiconduttori di alta qualità necessari per realizzare i concetti di Lilienfeld non era ancora stata inventata.
 
Il primo transistor funzionale, il transistor a contatto puntiforme, fu inventato nel 1947 dai fisici americani John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley presso Bell Labs. La loro ricerca originale sul comportamento dei semiconduttori era tangenzialmente correlata ai concetti delineati nel lavoro di Lilienfeld, ma i loro tentativi falliti di costruire transistor a effetto di campo (FET) li portarono alla scoperta e all'invenzione dei transistor bipolari a contatto puntiforme e a giunzione. Shockley depositò il brevetto negli Stati Uniti per la prima tecnologia di transistor a giunzione bipolare nel giugno 1948.
 
Interessante, i fisici tedeschi Herbert Matare e Heinrich Welker, che lavoravano per una filiale di Westinghouse a Parigi, stavano ricercando argomenti molto simili all'inizio del 1948. Dopo le loro scoperte successive e la realizzazione che stavano gareggiando con il team di Shockley nella ricerca sui transistor, depositarono il loro primo brevetto per un transistor il 13 agosto 1948, in Francia.
 
All'inizio degli anni '50, i transistor erano già prodotti in piccola scala per l'uso nelle comunicazioni radio. Diverse scoperte chiave e prodotti seguirono durante la metà degli anni '50:

• Bell Labs sviluppò il primo transistor al silicio funzionante il 26 gennaio 1954.
• Texas Instruments costruì il primo transistor commerciale al silicio alla fine del 1954.
• Il primo radioricevitore a transistor, il Regency TR-1, fu rilasciato nell'ottobre 1954.
• La prima radio per automobili completamente a transistor fu sviluppata da Chrysler e Philco e presentata il 28 aprile 1955.
• La prima radio a transistor prodotta in massa, la Sony TR-63, fu rilasciata nel 1957 e vendette sette milioni di unità portando all'adozione di massa delle radio a transistor alla fine degli anni '50 e primi anni '60.

L'importanza globale del transistor

In meno di un decennio dalla sua nascita, il transistor ha rivoluzionato l'elettronica moderna e gli istituti di ricerca. Fisici di tutto il mondo hanno esplorato freneticamente il potenziale della tecnologia dei transistor.
 
William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain dei Bell Labs hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 1956 "per le loro ricerche sui semiconduttori e la scoperta dell'effetto transistor". Sebbene questo premio sia di grande riconoscimento, l'impatto sull'umanità e sulla tecnologia futura è stato molto più significativo.
 
I transistor sono diventati la base per quasi tutti i dispositivi elettronici, i sistemi elettrici e l'industria in tutto il pianeta. Nel 2022, si prevede che l'industria globale dei chip semiconduttori supererà i 600 miliardi di dollari.
 
Sia che tu sia un controllore del traffico aereo in Australia, un banchiere in Belgio, un concessionario di auto in Canada, un educatore in Egitto, un agricoltore in Francia, un investitore in titoli a Singapore o un videogiocatore in Venezuela, utilizzi la tecnologia dei transistor nella tua vita quotidiana. L'invenzione del transistor potrebbe essere l'invenzione più importante del XX secolo. Senza transistori, tecnologie fondamentali di uso comune come internet, telefoni cellulari, medicina moderna e trasporti moderni forse non sarebbero mai esistite.