Transistor: capire cos'è e l'importanza di questo componente

Il tuo cervello contiene circa 100 miliardi di cellule chiamate neuroni, i minuscoli interruttori che ti permettono di pensare e ricordare le cose. I computer contengono anche miliardi di "cellule cerebrali" in miniatura. Si chiamano transistor e sono fatti di silicio, un elemento chimico che si trova comunemente nella sabbia. I transistor hanno rivoluzionato l'elettronica da quando sono stati inventati più di mezzo secolo fa da Giovanni Barden, Walter Bratten e William shockley. Ma cos'è un transistor e come funziona?

Cosa fa un transistor

Un transistor è sia molto semplice che molto complesso. Cominciamo con la parte semplice: è un componente elettronico in miniatura che può fare due lavori diversi, fungere da amplificatore o da interruttore.

Quando funziona come un amplificatore, riceve una piccola corrente elettrica a un'estremità (una corrente di ingresso) e produce una corrente elettrica molto più grande (una corrente di uscita) all'altra. In altre parole, è una specie di amplificatore di segnale.

Questo è molto utile in dispositivi come gli apparecchi acustici, una delle prime cose per cui sono stati utilizzati i transistor. Un apparecchio acustico ha un minuscolo microfono che raccoglie i suoni dal mondo intorno a te e li trasforma in correnti elettriche fluttuanti.

Sono inseriti in un transistor che li guida e guida un piccolo altoparlante, quindi senti una versione molto più forte dei suoni intorno a te.

William Shockley, uno degli inventori del transistor, una volta spiegò gli amplificatori a transistor agli studenti in un modo più divertente:

“Se prendi una balla di fieno e la leghi alla coda di un mulo e poi accendi un fiammifero nella balla di fieno fiammeggiante, e se confronti l'energia spesa subito dopo dal mulo con l'energia spesa da te nel colpo di partita, capirai il concetto di amplificazione”.

William Shockley, uno degli inventori del transistor

I transistor possono anche funzionare come interruttori. Una piccola corrente elettrica che scorre attraverso una parte di un transistor può far fluire una corrente molto più grande attraverso un'altra parte di esso. In altre parole, la piccola catena collega quella più grande.

Questo è essenzialmente il modo in cui funzionano tutti i chip dei computer. Ad esempio, un chip di memoria contiene centinaia di milioni o addirittura miliardi di transistor, ognuno dei quali può essere acceso o spento singolarmente.

Poiché ogni transistor può trovarsi in due stati diversi, può memorizzare due numeri diversi, zero e uno. Con miliardi di transistor, un chip può memorizzare miliardi di zeri e uno e quasi altrettanti numeri e lettere comuni (o caratteri, come li chiamiamo noi).

Il bello delle vecchie macchine era che potevi smontarle per scoprire come funzionavano. Non è mai stato troppo difficile, spingendo un po' qua e giocherellando là, capire quale parte ha fatto cosa e come una cosa tira l'altra. Ma l'elettronica è totalmente diversa.

L'elettronica studia l'uso degli elettroni per controllare l'elettricità. Un elettrone è una minuscola particella all'interno di un atomo. È così piccolo che pesa poco meno di 0,000000000000000000000000000001 kg! I transistor più avanzati funzionano controllando i movimenti dei singoli elettroni, quindi puoi immaginare quanto siano piccoli.

Su un moderno chip per computer delle dimensioni di un'unghia, è probabile trovare tra 500 milioni e due miliardi di transistor separati. Non c'è alcuna possibilità di smontare un transistor per scoprire come funziona, quindi dobbiamo capirlo con la teoria e l'immaginazione. Innanzitutto, dobbiamo sapere di cosa è fatto un transistor.

Come è fatto un transistor

I transistor sono fatti di silicio, un elemento chimico presente nella sabbia che normalmente non conduce elettricità (non consente agli elettroni di fluire facilmente). Il silicio è un semiconduttore, il che significa che non è realmente un conduttore (qualcosa come un metallo che lascia fluire l'elettricità) né un isolante (qualcosa come la plastica che impedisce all'elettricità di fluire).

Se trattiamo il silicio con impurità (un processo noto come doping), possiamo farlo comportare in modo diverso. Se usiamo il silicio con gli elementi chimici arsenico, fosforo o antimonio, il silicio guadagna alcuni elettroni “liberi” – quelli che possono trasportare una corrente elettrica – quindi gli elettroni fluiranno in modo più naturale.

Poiché gli elettroni sono caricati negativamente, viene chiamato il silicio trattato in questo modo tipo nf (tipo negativo). Possiamo anche usare il silicone con altre impurità come boro, gallio e alluminio. Il silicio trattato in questo modo ha meno di questi elettroni "liberi", quindi gli elettroni nei materiali vicini tendono a confluire in esso. Chiamiamo questo tipo di digitare p silicio (tipo positivo).

Tuttavia, è anche importante notare che né il silicio nel tipo nf o digitare p in realtà hanno una carica in loro: entrambi sono elettricamente neutri. È vero che il silicio di tipo n ha elettroni "liberi" in più che ne aumentano la conducibilità, mentre il silicio di tipo p ha meno elettroni liberi, il che contribuisce ad aumentare la sua conduttività in modo opposto.

In ogni caso, la conduttività extra deriva dall'aggiunta di atomi di impurità neutri (non caricati) al silicio, che all'inizio era neutro – e non possiamo creare cariche elettriche dal nulla! Una spiegazione più dettagliata mi richiederebbe di introdurre un'idea chiamata teoria delle bande, che va un po' oltre lo scopo di questo articolo. Tutto quello che dobbiamo ricordare è che "elettroni extra" significa elettroni extra liberi, quelli che possono muoversi liberamente e aiutare a trasportare una corrente elettrica.

panini al silicone

Esistono due diversi tipi di silicio. Se li mettiamo insieme a strati, realizzando sandwich di materiale PE di tipo n, possiamo realizzare diversi tipi di componenti elettronici che funzionano in tutti i modi.

Supponiamo di unire un pezzo di silicio di tipo na ad un pezzo di silicio di tipo p e di posizionare i contatti elettrici su entrambi i lati. All'incrocio tra i due materiali cominciano ad accadere cose entusiasmanti e utili.

Se attiviamo la corrente, possiamo far fluire gli elettroni attraverso la giunzione dal lato di tipo n al lato di tipo p e uscire attraverso il circuito. Ciò accade perché la mancanza di elettroni sul lato di tipo p della giunzione attrae elettroni sul lato di tipo n e viceversa.

Ma se invertiamo la corrente, gli elettroni non fluiranno. Quello che abbiamo fatto qui si chiama diodo (o raddrizzatore). È un componente elettronico che lascia fluire la corrente in una sola direzione. E' utile se si vuole trasformare la corrente elettrica alternata (bidirezionale) in corrente continua (unidirezionale).

I diodi possono anche essere realizzati in modo che emettano luce quando l'elettricità li attraversa. Questi diodi emettitori di luce (LED) sono già presenti in schermi TV, monitor, smartphone e tablet e schermi (e anche nelle lampade), fornendo un'immagine di qualità superiore e generando un consumo energetico molto inferiore rispetto alle tecnologie utilizzate in precedenza su questi tipi di dispositivi .

Come funzionano i transistor nei computer

In pratica, non è necessario sapere nulla sugli elettroni e sull'elettronica in generale, a meno che non progetti chip per computer per vivere. Tutto quello che devi sapere è che un transistor funziona come un amplificatore o un interruttore, utilizzando una piccola corrente per accendere un amplificatore. Ma c'è qualcos'altro che vale la pena sapere: in che modo tutto questo aiuta i computer a memorizzare informazioni e prendere decisioni?

Possiamo mettere insieme alcuni interruttori a transistor per creare qualcosa chiamato gate logico, che confronta varie correnti di ingresso e di conseguenza fornisce un'uscita diversa. Le porte logiche consentono ai computer di prendere decisioni molto semplici utilizzando una tecnica matematica chiamata algebra booleana.

Il tuo cervello prende le decisioni allo stesso modo. Ad esempio, utilizzando "input" (cose che sai) sul tempo e sui tuoi impegni, puoi prendere una decisione come questa: "Se piove E Se ho un ombrello, vado al mercato”. Questo è un esempio di algebra booleana che utilizza ciò che viene chiamato and "operatore" (la parola operatore è solo un po' di gergo matematico per far sembrare le cose più complicate di quanto non siano in realtà).

Puoi prendere decisioni simili con altri operatori. «Se c'è vento OU sta nevicando quindi mi metterò un cappotto" è un esempio di utilizzo di un operatore OR. O che ne dici di “Se sta piovendo E ho un ombrello OU Ho un cappotto, quindi va bene per uscire."

Usando AND, OR e altri operatori chiamati NOR, XOR, NOT e NAND, i computer possono aggiungere o confrontare numeri binari. Questa idea è la pietra angolare dei programmi per computer: la serie logica di istruzioni che fanno eseguire ai computer tutti i tipi di attività.

Normalmente, un transistor a giunzione si spegne quando non c'è corrente di base e si accende quando la corrente di base scorre. Ciò significa che è necessaria una corrente elettrica per accendere o spegnere il transistor.

Ma transistor come questo possono essere collegati con porte logiche in modo che le loro connessioni di uscita ritornino ai loro ingressi. Il transistor rimane acceso anche quando la corrente di base viene rimossa. Ogni volta che scorre una nuova corrente di base, il transistor "si accende" o si spegne.

Rimane in uno di questi stati stabili (acceso o spento) fino a quando appare un'altra corrente e si gira dall'altra parte. Questo tipo di disposizione è noto come flip-flop e trasforma un transistor in un semplice dispositivo di memoria che memorizza uno zero (quando è spento) o uno (quando è acceso). Le infradito sono la tecnologia di base dietro i chip di memoria del computer.

Chi avrebbe mai pensato che oggi una parte così piccola sarebbe responsabile di tanta parte della nostra tecnologia? Se non fosse per la semplice ma potente capacità dei transistor, probabilmente non leggeresti questo testo oggi.