transistóre o transìstor
Indice
Definizione
sm. [sec. XX; dall'inglese transistor, da to tran(sfer), condurre+(res)istor, resistore]. Componente elettronico costituito da un piccolo cristallo di semiconduttore selettivamente drogato. La realizzazione dei transistor è stata possibile in seguito alla scoperta, nel 1949, da parte di W. Shockley, W. H. Brattain e J. Bardeen, delle proprietà amplificatrici di particolari dispositivi a semiconduttore (effetto transistor); nella seconda metà degli anni Cinquanta i progressi tecnici nel campo dei transistor hanno permesso di realizzare dispositivi di piccole dimensioni (0,1 mm di lato) e di notevole affidabilità. Parallelamente, gli studi sulla fisica dei semiconduttori portarono allo sviluppo di nuovi tipi di transistor, i FET e MOS o transistor a effetto di campo, detti unipolari per contrapposizione al modo bipolare di funzionamento del transistor tradizionale, al quale si affiancano nelle applicazioni. Anche riguardo ai materiali semiconduttori sono stati registrati continui progressi: il germanio è stato gradualmente sostituito prima dal silicio come materiale base dei dispositivi e poi da semiconduttori composti, come l'arseniuro di gallio (GaAs), per applicazioni speciali. . I transistor hanno tre elettrodi di accesso, detti emettitore (E), base (B) e collettore (C) nei tipi bipolari, gate o porta (G), source o sorgente (S) e drain o pozzo (D) nei tipi unipolari. Poiché le proprietà elettriche del transistor dipendono dai drogaggi, che possono essere di tipo p o di tipo n, scambiando tra loro i drogaggi si ottengono strutture complementari di transistor che aumentano la flessibilità di progetto circuitale, in quanto nel tipo complementare si lavora a polarità opposte di tensione e con versi opposti delle correnti circolanti. In relazione a tali strutture complementari si parla di transistor tipo pnp o npn nel caso di transistor bipolari, di canali p o n nel caso di transistor unipolari.
Tecnica: transistor bipolare
Nel transistor bipolare, i tre elettrodi sono in contatto con altrettante regioni di drogaggio attraverso sottili metallizzazioni all'alluminio; l'emettitore si distingue dal collettore (che è dello stesso tipo) per la molto più elevata concentrazione del drogaggio. Con riferimento a un transistor npn, si ha che nelle regioni di tipo n il drogante donatore è un atomo che libera un elettrone diventando uno ione positivo immobile nel reticolo cristallino e, similmente, nella regione p di base l'atomo accettore libera una buca (ossia cattura un elettrone) diventando uno ione negativo. La presenza degli ioni genera due barriere di potenziale alle giunzioni base-emettitore e collettore-base che, in assenza di tensioni applicate dall'esterno, impediscono l'attraversamento delle giunzioni da parte dei portatori di carica. Quando il transistor viene polarizzato con le batterie, alla giunzione base-emettitore la barriera viene abbassata (polarizzazione diretta) e a quella collettore-base la barriera viene notevolmente aumentata (polarizzazione inversa). Come conseguenza, gli elettroni di emettitore e le buche di base possono attraversare la giunzione base-emettitore per contribuire alla conduzione di corrente tra questi due elettrodi, come in un diodo a giunzione. La proprietà fondamentale del transistor è legata al fatto che la regione di base è molto sottile, non sufficiente a trattenere e raccogliere gli elettroni iniettati dall'emettitore, che possono diffondere sino alla giunzione collettore-base, dove la favorevole barriera di potenziale li accelera verso il collettore. In tal modo, solo una piccola frazione della corrente di emettitore fluisce nella base , mentre la maggior parte viene prelevata dal collettore. Poiché i rapporti fra le tre correnti nel transistor sono fissati dai drogaggi e dalla geometria delle regioni, facendo variare una corrente le altre sono costrette a variare in proporzione. Fornendo dunque un segnale di corrente alla base, si ottiene un segnale di corrente di collettore che ne riproduce la forma d'onda e ha maggiore ampiezza. Il rapporto tra i segnali di corrente di collettore e di base è detto coefficiente di amplificazione di corrente (β o hfe) e ha valori compresi tra 50 e 300. La velocità di risposta del transistor è limitata dal tempo finito che i portatori di carica impiegano per attraversare le giunzioni; in termini di frequenza di taglio i transistor possono raggiungere alcune migliaia di megahertz. Il modo di funzionamento di un transistor pnp è del tutto simile una volta scambiati i ruoli di elettroni e buche e rovesciate le batterie di polarizzazione. In un transistor a effetto di campo MOS si ha un canale poco drogato, per esempio di tipo p, tra due regioni fortemente drogate di tipo opposto che costituiscono gli elettrodi di source e drain; il gate è tenuto isolato dal semiconduttore da un sottile strato di ossido di silicio. Poiché le buche del canale non possono attraversare la giunzione canale-drain, a riposo è nulla la corrente tra sorgente e pozzo anche se è applicata tensione tra questi elettrodi. Viceversa, polarizzando positivamente il gate rispetto alla sorgente, si localizzano nel canale delle cariche negative indotte elettrostaticamente dal gate, cioè degli elettroni che possono scorrere nel canale fornendo circolazione di corrente tra sorgente e pozzo, come se alla superficie del canale il drogaggio fosse stato invertito da p a n. Nel controllo della corrente tra source e drain, che è eseguito dalla tensione di gate, risiede la proprietà di amplificazione del transistor MOS. È da rilevare che il gate non richiede corrente dall'esterno a differenza di quanto avviene nel transistor bipolare: ciò implica un'elevatissima resistenza di ingresso (1012Ω o maggiore) che rende il MOS ideale per amplificatori elettrometrici (per esempio per misure di pH). Un'altra importante prerogativa risiede nel minore ingombro della struttura di un transistor MOS, che è da tre a cinque volte più piccolo di un transistor bipolare: ciò consente la realizzazione di circuiti integrati monolitici a grande, grandissima scala di integrazione. Per esempio il microprocessore sviluppato dall'Intel ha oltre 160 milioni di transistor, mentre il processore Cell di Sony, Toshiba e IBM supera i 230 milioni di transistor in un chip di 250 mm².
Tecnica: l'evoluzione dei transistor
Negli ultimi decenni del sec. XX la miniaturizzazione dei transistor ha reso possibile ottenere un continuo incremento della velocità di funzionamento di componenti degli elaboratori e di altri apparecchi elettronici. La dimensione di un transistor influisce infatti in modo considerevole sulla sua velocità di funzionamento; per esempio in un transistor bipolare un fattore limitante è costituito dal tempo necessario agli elettroni per muoversi attraverso la base: riducendone lo spessore, si diminuisce la distanza che gli elettroni devono percorrere e di conseguenza aumenta la velocità con la quale il transistor può passare dallo stato acceso allo stato spento. La possibilità di incidere un numero sempre maggiore di transistor su un singolo wafer di silicio è alla base dell'economicità di questo componente elettronico, perché il costo delle numerose e complicate fasi necessarie alla sua fabbricazione può essere suddiviso per un numero sempre più elevato di transistori. La tendenza alla miniaturizzazione non può essere, però, senza limiti. Nel caso di dispositivi estremamente miniaturizzati bisogna tener conto di nuovi fenomeni, che non si verificano a dimensioni maggiori; per poterli trattare analiticamente, bisogna ricorrere in fase di progetto a simulazioni numeriche del moto degli elettroni all'interno del dispositivo. Con lunghezze in gioco relativamente grandi, gli elettroni dopo una rapida accelerazione dissipano nelle collisioni una quantità di energia che bilancia l'energia cinetica fornita dal campo. Le particelle per gran parte del tempo si mantengono perciò a velocità costante, e quindi il loro comportamento può essere rappresentato con un'equazione lineare. Con il diminuire delle dimensioni, gli elettroni non sono più in grado di raggiungere una velocità costante, accelerano a ogni istante e le equazioni relative devono tenerne conto. Per raffinare i modelli di simulazione si rendono necessari esperimenti alla scala dei femtosecondi. È indispensabile riuscire ad approfondire le conoscenze nell'ambito della fisica dello stato solido, dato che al crescere della complessità dei chips aumenta il numero delle fasi richieste dalla fabbricazione e ogni fase può influenzare le precedenti. Attualmente i più avanzati chips commerciali vengono ottenuti utilizzando la banda dell'ultravioletto lontano, tecnica complicata dalla difficoltà di realizzare laser che emettano in questa regione dello spettro. Per la prossima generazione di dispositivi bisognerà con molta probabilità utilizzare frequenze ancora più alte, nella banda dei raggi X. Naturalmente, per la fabbricazione di una nuova generazione di dispositivi è necessario approntare idonee apparecchiature, sempre più costose. Nella progettazione di chips ci si sta quindi avvicinando ai limiti naturali e molti ricercatori da tempo hanno orientato i propri studi sull'impiego di materiali semiconduttori diversi dal silicio, come l'arseniuro di gallio e composti analoghi. Resta comunque il fatto che l'industria ha investito cifre colossali in apparecchiature per la fabbricazione di dispositivi basati sul silicio e chiaramente sarebbe felicissima di trovare la possibilità di incrementare le prestazioni senza abbandonare questo elemento. Ricercatori dell'IBM hanno pensato di investigare a fondo la tecnologia del silicio allo scopo di trovare metodi che consentissero di migliorare le prestazioni dei chips logici a base di silicio garantendo al contempo piena compatibilità con le attuali tecnologie di produzione. I risultati sono stati oltremodo lusinghieri: hanno dimostrato che una lega di silicio e germanio può essere la base di transistor eccezionalmente veloci. Verso la metà degli anni Cinquanta era già stato affermato in linea di principio che le eterogiunzioni potevano costituire un modo per rendere più veloce la commutazione di un transistor senza bisogno di ridurne le dimensioni, ma modificandone le proprietà elettroniche fondamentali. I campi elettrici presenti naturalmente nei due materiali costituenti l'eterogiunzione provvedono a confinare le cariche positive o negative sui lati opposti dell'interfaccia. Facendo in modo che una giunzione presenti una composizione gradualmente variabile da quella di uno dei materiali a quella dell'altro, nella regione di transizione si può ottenere un campo elettrico esteso. Il campo generato in un'eterogiunzione graduale può essere sfruttato per indurre gli elettroni ad attraversare velocemente la base di un dispositivo bipolare. Ulteriori ricerche indicarono che tra le possibili coppie di materiali semiconduttori la più promettente era costituita appunto da silicio e germanio. I tempi non erano però maturi per la realizzazione di un'eterogiunzione silicio-germanio funzionante. La distanza interatomica in un cristallo di germanio è del 4% più grande che in uno di silicio e perciò i reticoli dei due elementi, che pure hanno la stessa struttura cristallina, non corrispondono perfettamente. Depositando atomi di germanio su un substrato molto più spesso di silicio, essi dapprima seguono fedelmente la disposizione atomica dello strato sottostante; si accumula però un'enorme tensione che cresce man mano che si depositano altri strati. Alla fine nella struttura del germanio si formano difetti che alleggeriscono la tensione, grazie all'espulsione dal reticolo cristallino di intere file di atomi di germanio; in questo modo gli altri atomi possono allontanarsi recuperando la loro distanza naturale. Per eliminare le tensioni l'espulsione deve riguardare circa il 4% degli atomi di germanio depositati, ma questo riassestamento in un'area delle dimensioni di un chip provocherebbe la comparsa di migliaia di difetti, che ne impedirebbero il funzionamento. Dopo aver sperimentato varie tecniche, i risultati migliori sono stati ottenuti applicando la deposizione chimica in fase vapore a temperature tra 400 e 500 ºC sotto vuoto spinto (un milionesimo di atmosfera). Con questa tecnica sono stati costruiti transistor che hanno offerto prestazioni decisamente superiori rispetto a quelli tradizionali. Nel transistor bipolare, per esempio, una misura standard delle sue prestazioni è data dalla modalità con cui il guadagno del dispositivo (dato dal rapporto tra la corrente emessa dal transistor e quella necessaria per l'accensione del medesimo) dipende dalla frequenza di commutazione. Un transistor bipolare convenzionale può presentare un guadagno pari a 100, ma elevando la frequenza di commutazione il guadagno diminuisce progressivamente; quando questo diventa uguale a uno, il transistor si comporta come un semplice cavo elettrico, in quanto la corrente in entrata è pari a quella in uscita. La velocità di un transistor viene in genere valutata sulla base della frequenza di commutazione che può raggiungere prima che il suo guadagno scenda a uno. La prima eterogiunzione graduale realizzata dal gruppo di ricerca dell'IBM., nel 1989, presentava una velocità di 75 GHz, circa il doppio dei migliori dispositivi di silicio confrontabili; in seguito si sono raggiunte velocità di oltre 110 GHz e si è sperimentato che l'inserimento di tali dispositivi in circuiti reali non presentava inconvenienti di sorta. Anche se la tecnologia delle leghe silicio-germanio è in una fase iniziale, è iniziata la commercializzazione di circuiti integrati a silicio-germanio. Finora l'IBM è l'unica società ad aver dimostrato la capacità di integrare nei circuiti un numero significativo di transistor bipolari a eterogiunzione graduale di alte prestazioni; i ricercatori sono al lavoro per ottenere risultati significativi con questa tecnica anche per i transistor a effetto di campo.