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Transistor, come funzionano?

L’invenzione dei transistor ha rivoluzionato la civiltà umana come nessun’altra tecnologia. Al cuore di uno smartphone si trova un processore, e questo processore contiene circa 2 miliardi di transistor. Cosa fanno questi dispositivi incredibilmente piccoli? Come funzionano? I transistor possono agire come un interruttore senza parti mobili. Possono amplificare un segnale debole. In effetti, l’amplificazione è la funzione di base di un transistor. Per prima cosa, comprendiamo i principi fondamentali dei transistor. Torneremo in seguito alla parte applicativa. I transistor sono realizzati con semiconduttori come il silicio. Ogni atomo di silicio è legato a 4 atomi di silicio vicini. Il silicio ha 4 elettroni nel suo guscio di valenza. Sostituiamo questo atomo di silicio con uno smiley a 4 mani: ogni mano tiene un elettrone. Ognuno di questi elettroni partecipa a un legame con un atomo di silicio vicino. Questo è noto come legame covalente. Attualmente, gli elettroni si trovano nella loro banda di valenza. Affinché il silicio puro conduca elettricità, gli elettroni devono assorbire una certa energia e diventare elettroni liberi. Pertanto, il silicio puro ha una bassa conducibilità elettrica. Una tecnica chiamata drogaggio viene utilizzata per migliorare la conduttività dei semiconduttori. Ad esempio, se si inietta fosforo, che ha 5 elettroni di valenza. Qui uno di questi elettroni sarà libero di muoversi all’interno del sistema. Questo è noto come drogaggio di tipo N. Al contrario, se si inietta boro, che ha 3 elettroni di valenza, si creerà una posizione vacante per un elettrone. Questa posizione vacante è nota come lacuna, e un elettrone vicino può riempirla in qualsiasi momento. Questo movimento degli elettroni è visualizzato come un moto delle lacune in direzione opposta. Lo chiameremo drogaggio di tipo P. Se si droga una lastra di silicio nel modo seguente, nasce un transistor. Ma per comprendere davvero come funziona un transistor, dobbiamo avere un’idea chiara di ciò che accade a livello elettronico in un componente più elementare: il diodo. Un diodo si forma drogando una parte del silicio come tipo P e l’altra parte come tipo N. Qualcosa di molto interessante accade al confine della giunzione N e P. Gli elettroni abbondanti sul lato N tenderanno naturalmente a migrare verso le lacune disponibili sul lato P. Ciò renderà il confine del lato P leggermente carico negativamente e quello del lato N leggermente carico positivamente. Il campo elettrico risultante si opporrà a qualsiasi ulteriore migrazione naturale degli elettroni. Se si applica una sorgente di alimentazione esterna ai capi del diodo come mostrato, la sorgente attirerà gli elettroni e le lacune. In questo caso, il flusso di elettricità è impossibile. Tuttavia, se si inverte la connessione della sorgente di alimentazione, la situazione cambia completamente. Supponiamo che la sorgente di alimentazione abbia una tensione sufficiente a superare la barriera di potenziale. Si può immediatamente osservare
che gli elettroni vengono respinti dal terminale negativo. Quando gli elettroni attraversano la barriera di potenziale, perdono energia e si ricombinano facilmente con le lacune nella regione P. Ma a causa dell’attrazione del terminale positivo, questi elettroni possono ora saltare verso le lacune vicine nella regione P e fluire attraverso il circuito esterno. Questo è noto come polarizzazione diretta di un diodo. Tenendo a mente questo semplice principio del diodo, sarà facile comprendere il funzionamento di un transistor. Torniamo ora al transistor! Si noti che lo strato P è molto sottile e leggermente drogato. Si può facilmente vedere che il transistor è essenzialmente costituito da due diodi collegati schiena contro schiena. Pertanto, in qualunque modo si colleghi la sorgente di alimentazione, uno dei due diodi sarà sempre polarizzato inversamente e bloccherà il flusso di corrente. Ciò significa che il transistor si trova nello stato di spegnimento (off). Ora colleghiamo una seconda sorgente di alimentazione come mostrato. Questa sorgente deve avere una tensione sufficiente per superare la barriera di potenziale. Quindi, si tratta semplicemente di un diodo polarizzato direttamente. Di conseguenza, un gran numero di elettroni verrà emesso dalla regione N. Proprio come in un diodo, alcuni elettroni si ricombineranno con le lacune e salteranno attraverso le lacune vicine per fluire verso la base. Ma ci sono molti più elettroni che attraversano la regione P. Cosa faranno questi elettroni rimanenti? Pensiamoci un momento. Gli elettroni rimanenti verranno attratti dal terminale positivo della prima sorgente di alimentazione e fluiranno direttamente come mostrato. Si noti che la regione P è molto stretta, il che garantisce che nessun elettrone residuo fluisca verso il terminale positivo della seconda sorgente di alimentazione. In breve, una piccola corrente di base viene amplificata in una grande corrente di collettore. Si può facilmente correlare la denominazione dei terminali del transistor con la natura del flusso di elettroni. Se si aumenta la corrente di base, la corrente di collettore aumenterà proporzionalmente. Questo è un chiaro caso di amplificazione di corrente. Il tipo di transistor che abbiamo descritto è chiamato transistor a giunzione bipolare. Sostituiamo ora questo transistor rappresentativo con uno reale. È possibile migliorare ulteriormente l’amplificazione introducendo un altro transistor. La base di questo secondo transistor è collegata all’emettitore del primo transistor. Se si introduce un segnale debole e fluttuante in ingresso, come quello che proviene da un microfono, si otterrà un segnale amplificato all’altoparlante. Un altro aspetto interessante di questo circuito di base è che, a seconda del valore della tensione applicata, il transistor può essere acceso o spento. In questo caso, il transistor agisce come un interruttore. Questa proprietà del transistor apre la strada al mondo dell’elettronica digitale e della memoria digitale.