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Chip e transistor che hanno cambiato la nostra vita

Videoregistratori, impianti stereo ad alta fedeltà, calcolatori tascabili, orologi digitali, telefoni cellulari e personal computer sono dispositivi elettronici che usiamo di frequente. Sanno semplificare gesti quotidiani, come telefonare o guardare un film, e nella loro diversità di scopi e impieghi hanno un denominatore comune che li fa funzionare. All'interno ci sono transistor e chip, dispositivi e circuiti sempre più complicati e sempre più piccoli, realizzati con il silicio. L'elettronica oggi ha un ruolo fondamentale nelle comunicazioni, nei sistemi di controllo, nei calcolatori e in molti altri dispositivi che sono diventati fondamentali per la vita di tutti i giorni

Di cosa si occupa l'elettronica?

L'elettronica è nata agli inizi del Novecento per studiare il moto delle particelle chiamate elettroni. Da subito, tuttavia, la maggiore attenzione si è concentrata per progettare dispositivi che usano il movimento degli elettroni e che dunque hanno bisogno di elettricità. All'interno di questi apparecchi ci sono circuiti che modificano e controllano il flusso di piccole correnti elettriche variabili nel tempo, che funzionano da segnali elettrici. In genere i circuiti funzionano come interruttori o amplificatori. Quando agiscono da interruttori un piccolo segnale elettrico è adoperato per accendere o per spegnere un altro circuito. Così accade nelle porte automatiche dei negozi: quando una persona si avvicina all'ingresso, un dispositivo, il detector, se ne accorge e invia un segnale al circuito che ha il compito di azionare l'apertura della porta. Se funzionano da amplificatori, invece, i circuiti elettronici potenziano i segnali troppo deboli, come accade per quelli captati dalle antenne delle radio, non abbastanza forti per riuscire a trasformarsi direttamente in parole e musica che l'orecchio sia in grado di percepire.

L'elettronica ha mosso i primi passi con la radiofonia e la telefonia a grande distanza, ma oggi, oltre che di trasmettere l'informazione, si occupa anche di elaborarla, come accade con i computer. Questa scienza è diventata così sinonimo di comunicazioni, circuiti di controllo e calcolatori, tre 'c' da cui oggi dipende buona parte della nostra vita. Le applicazioni dell'elettronica hanno non solo grande importanza economica, ma possono anche cambiare il nostro modo di comportarci. Pensiamo, per esempio, ai telefoni cellulari che consentono di raggiungere una persona indipendentemente dai suoi spostamenti, o ai computer oggi indispensabili per comunicare, immagazzinare e trasferire dati e molto altro ancora.

L'elettronica ha cambiato volto

Per capire i passi da gigante che l'elettronica ha fatto in poco più di un secolo basta mettere a confronto una radio degli inizi del Novecento con una portatile di oggi. Le differenze sono davvero sorprendenti. Innanzitutto il peso e le dimensioni. La vecchia radio è pesante e grande più o meno come un ingombrante scatolone, mentre la sua analoga moderna sta tranquillamente in una mano ed è così leggera che si può portare ovunque. Cambiano anche i consumi di elettricità: per alimentare il dispositivo attuale serve poca energia, molta meno di quella necessaria per far funzionare il suo corrispondente dei tempi passati.

Oggi poi una radio offre spesso molte altre prestazioni: può infatti accumulare musica in formato digitale e funzionare come lettore di compact disc, e in genere è alla portata di tutte le tasche, a differenza della sua antenata d'epoca, riservata a pochi. A questo punto viene da chiedersi come sia stata possibile una trasformazione tanto grande in un intervallo di tempo piuttosto limitato. La spiegazione risiede in una scheggia di pietra, il frammento di silicio che oggi serve per realizzare buona parte dei dispositivi elettronici ‒ chip e transistor ‒ che si sono diffusi dalla seconda metà del secolo scorso.

Oggi, infatti, un oggetto relativamente semplice e poco costoso come un calcolatore tascabile è in grado di compiere più operazioni del primo computer, l'enorme ENIAC (Electronic numerical integrator and computer "integratore e calcolatore numerico elettronico"), costruito nel 1946.

Tutto comincia con la valvola termoionica

Nel 1904 il fisico inglese Ambrose Fleming brevetta il primo componente elettronico, la valvola termoionica, che ha permesso di realizzare, tra le altre cose, i diodi, dispositivi in grado di lasciar passare i segnali o di interrompere il flusso di corrente a seconda di come sono collegati al circuito. La scoperta di Fleming viene perfezionata pochi anni dopo dallo statunitense Lee De Forest, che aggiunge alla valvola termoionica una griglia metallica capace di regolare il flusso degli elettroni. De Forest realizza così il triodo, un antenato del moderno transistor, il dispositivo fondamentale dell'elettronica.

Le valvole funzionano grazie all'emissione termoionica, lo stesso fenomeno che fa funzionare i tradizionali televisori a tubo catodico, dove un fascio di elettroni opportunamente comandato riesce a riprodurre sullo schermo le immagini. Quando, infatti, si riscalda un filo metallico a una temperatura di 1.000 °C o superiore, questo emette elettroni che poi possono essere raccolti da un elettrodo metallico, come la griglia nel triodo.

Simili nell'aspetto alle comuni lampadine a incandescenza, le valvole sono piuttosto ingombranti, hanno bisogno di parecchia energia per riscaldare il filamento metallico e funzionano con una certa lentezza perché gli elettroni devono spostarsi da un capo all'altro del tubo. Tuttavia, sino alla comparsa del transistor, vale a dire sino alla fine degli anni Quaranta, le valvole sono state fondamentali per l'industria elettronica, inclusa quella, allora appena nata, dei calcolatori: proprio l'ENIAC, per esempio, funzionava interamente grazie alle valvole.

La svolta del transistor

Nel 1947 i fisici statunitensi William Shockley, John Bardeen e Walter H. Brattain inventarono il transistor, vincendo per questa scoperta il premio Nobel per la fisica nel 1956. I transistor usati nei circuiti elettronici con componenti tra loro separati somigliano a un piccolo tappo provvisto di tre gambe, i contatti elettrici. A differenza delle valvole, dove gli elettroni si muovono nel vuoto, in questi dispositivi il moto delle cariche avviene in un semiconduttore solido (per questo sono chiamati dispositivi a stato solido).

In genere il materiale usato è il silicio, ma in alcuni casi si fa ricorso anche al germanio o a leghe con proprietà particolari. In un transistor un piccolo segnale elettrico è in grado di controllare una corrente molto più intensa e può sia amplificarla sia, al contrario, bloccarla. Questi dispositivi sono dunque ideali come interruttori elettronici rapidi e a basso consumo e servono anche per amplificare i segnali. Sono così diventati indispensabili per le applicazioni dell'elettronica. Nel 1954 è stata costruita la prima radio a transistor, nel 1957 il primo elaboratore e nel 1960 è stato messo in commercio un televisore interamente a transistor.

Ma la vera svolta dell'elettronica è arrivata nel 1958, anno in cui l'industria statunitense Texas Instruments ha sviluppato un processo per incorporare tutti i componenti di un circuito su un solo pezzo di silicio, il chip. Era nato il circuito integrato, che si sviluppa su una superficie di pochi millimetri quadrati e che è in grado di ospitare moltissimi transistor e le altre componenti elettroniche collegate. Un circuito integrato occupa meno spazio e ha bisogno di minor energia per funzionare di un circuito nel quale gli elementi sono separati tra loro.

Componenti elettroniche e circuiti

Oltre ai transistor, all'interno di un apparecchio elettronico ci sono resistenze, condensatori, diodi e induttori, per citare gli elementi più comuni. Le resistenze servono per diminuire la quantità di corrente che scorre nel circuito e fare così in modo che non ci siano segnali troppo forti, pericolosi per il buon funzionamento delle altre componenti. I condensatori invece regolano il flusso di corrente e vengono inseriti nel circuito in base alla capacità che indica quanta energia sono in grado di immagazzinare. Condensatori di capacità variabile permettono di sintonizzare una radio o un televisore sull'emittente prescelta, aggiustando appunto la quantità di energia in essi racchiusa. I diodi, poi, sono piccoli cilindri, oggi in genere realizzati con semiconduttori, e servono per far passare la corrente in una sola direzione. Possono trasformare la corrente da alternata (come viene erogata dalla rete domestica) a continua (la forma più utile per far funzionare alcuni piccoli elettrodomestici) oppure si possono usare come interruttori. Gli induttori, infine, sono fili avvolti a spirale: quando li attraversa la corrente, generano un campo magnetico (magnetismo) che a sua volta impedisce rapide variazioni della corrente stessa. Un induttore può così distinguere i segnali rapidamente variabili da quelli a variazione lenta e bloccare i segnali ad alta frequenza.

Ma il cuore dei dispositivi elettronici è in genere rappresentato dai chip che possono costituire il contatore di un orologio digitale, l'amplificatore di una radio o il cervello di un calcolatore. All'esterno il chip ha l'aspetto di un 'bruco tecnologico' perché consiste in una piccola scatoletta di plastica, provvista di molte 'zampette' metalliche, i contatti. L'involucro serve per proteggere la sottilissima lastrina di silicio dove è stato realizzato il circuito vero e proprio. Con sostanze chimiche apposite, infatti, si può intaccare la superficie del materiale in modo che le diverse parti del pur minuscolo frammento funzionino come resistenze, transistor, diodi o semplicemente come fili di contatto.

I vantaggi della microelettronica

Oggi i dispositivi elettronici sono sempre più piccoli grazie ai circuiti integrati e ci permettono di ascoltare la musica anche fuori casa con un lettore portatile di compact disc. Un circuito integrato è meno costoso di uno con componenti separate ed è molto affidabile. Grazie ai dispositivi a stato solido e all'uso dei circuiti integrati sono stati realizzati sonde e satelliti in grado di rimanere in orbita per anni senza guastarsi. La microelettronica si occupa proprio di questi componenti dalle dimensioni assai ridotte: grazie a essa oggi un solo chip può contenere anche molto più di un milione di transistor con relative resistenze, condensatori, induttanze, diodi e collegamenti.

Tra i chip più avanzati ci sono i microprocessori che realizzano in un unico dispositivo tutte le funzioni di un calcolatore come memoria, calcolo e via dicendo. Il primo microprocessore al silicio è stato l'Intel 4004, prodotto nel 1971 negli Stati Uniti e tra i suoi padri c'è un ingegnere italiano, Federico Faggin. L'Intel 4004 ha meritato le stelle: a bordo della sonda Pioneer 10 ha raggiunto la fascia degli asteroidi, ai confini del nostro Sistema solare. Eppure le sessantamila istruzioni al secondo che era in grado di elaborare rappresentano un'inezia rispetto alle capacità dei suoi moderni successori, anche tremila volte più veloci.

I microprocessori usati nei computer sono composti da milioni di porte logiche tra loro connesse. Le porte logiche sono interruttori elettronici collegati per produrre effetti diversi a seconda dei casi. Per esempio, in un videoregistratore la funzione 'stop' serve sia per fermare il nastro sia per espellere la cassetta quando il dispositivo non è in funzione.

Sviluppi recenti

Il rapido sviluppo delle telecomunicazioni, dell'informatica, della microelettronica ha portato, negli ultimi anni, profonde trasformazioni nelle nostre case, dove la tecnologia aumenta ma spesso è sfruttata solo in minima parte. Gli elettrodomestici saranno sempre più sofisticati: i frigoriferi d'avanguardia, collegati a Internet, potranno fare la spesa per noi garantendo che la dispensa non sia mai vuota, mentre le lavatrici sapranno riconoscere gli abiti grazie a etichette elettroniche e sceglieranno il programma adatto per il lavaggio senza bisogno di altre indicazioni. È la domotica, la tecnologia della 'casa intelligente', dove le apparecchiature audio e video, le console per videogiochi, i personal computer e gli altri sistemi elettronici cooperano tra loro. Nel futuro questi progressi dovrebbero garantire una migliore qualità della vita, maggiore sicurezza e risparmio energetico e dare la possibilità di tenere sotto controllo, anche a distanza, tutto ciò che avviene tra le mura domestiche.

Anche l'elettronica medica ha compiuto notevoli progressi: oggi la diagnostica per immagini come la TAC (tomografia assiale computerizzata) o la risonanza magnetica possono distinguere con grande precisione i diversi organi e tessuti del corpo umano. Importanti sviluppi riguardano anche la riproduzione di musica e di immagini: compact disc e DVD sono in grado di immagazzinare molti più dati rispetto ai nastri magnetici garantendo anche qualità più elevata. La stessa televisione ad altissima definizione è figlia della tecnologia elettronica. Ma oggi la ricerca si concentra soprattutto sul settore dei circuiti integrati per ottenere elaboratori sempre più potenti e rapidi.

Come funziona un transistor a giunzione

I transistor sono realizzati usando materiali semiconduttori come silicio e germanio. Nei dispositivi elettronici questi elementi non vengono utilizzati così come sono, ma dopo aver aggiunto una piccola quantità di atomi estranei - le impurezze - che aumentano la conducibilità del materiale perché accrescono il numero dei portatori di carica. Il processo si chiama drogaggio. Per esempio si può mettere arsenico nel silicio per avere un materiale dove i portatori di carica sono in prevalenza elettroni: si ottiene così un semiconduttore di tipo n. Se invece si aggiungono atomi di gallio con un elettrone in meno si crea uno squilibrio di carica positiva e il semiconduttore si dice di tipo p: dire che ci sono alcuni elettroni in meno è un po' come avere portatori di carica positiva, chiamati lacune. Quando si mettono a contatto un semiconduttore drogato di tipo p e uno di tipo n si realizza una giunzione in corrispondenza della quale esiste un fenomeno spontaneo di riequilibrio della carica con passaggio delle lacune dal lato p al lato n e degli elettroni in senso opposto. Una giunzione funziona perfettamente come un diodo perché a seconda di come la colleghiamo a un circuito possiamo facilitare il passaggio delle cariche (polarizzazione diretta) o bloccarlo (polarizzazione inversa).

Un transistor a giunzione è formato da due giunzioni opposte con un lato in comune (pn e np o, viceversa, np e pn) che si possono polarizzare in modo indipendente. Inviando una piccola corrente elettrica nel lato comune si controlla la corrente che scorre tra gli altri due terminali e, a seconda della polarizzazione del dispositivo, si può favorire la diffusione dei portatori di carica, sia elettroni sia lacune, con l'effetto di amplificare la corrente iniziale o al contrario bloccarne quasi del tutto il passaggio (entrambe le giunzioni sono polarizzate direttamente o inversamente) come accade in un interruttore.

Dalla bussola al GPS

In principio è stata la bussola, inventata dai Cinesi intorno all'anno Mille, che ha permesso agli uomini di orientarsi; poi, nel Settecento, l'orologiaio inglese John Harrison ha scoperto che la longitudine, cioè la coordinata di una nave sul planisfero terrestre, si poteva calcolare grazie a un cronometro. E oggi? L'elettronica mette a nostra disposizione una tecnologia sofisticatissima in grado di dirci dove siamo con l'approssimazione di pochi metri. È il sistema di posizionamento satellitare GPS

(Global positioning system "sistema di posizionamento globale"), nato nel 1973 per iniziativa del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. Si basa su una rete di satelliti che orbitano attorno al nostro pianeta, ognuno con a bordo un orologio atomico sincronizzato da terra. Per conoscere la propria posizione usando il GPS bisogna avere con sé un dispositivo ricevente in grado di usare il segnale inviato dai satelliti per determinare le esatte coordinate dell'apparecchio in quel momento. Il sistema GPS è quindi utilizzato sulle navi, ma anche a terra, per esempio nelle automobili, con lo scopo di fornire la posizione dell'autovettura. Può essere usato anche per seguire i mammiferi e gli uccelli che migrano o per esaminare lo spostamento dei venti e delle correnti marine. Anche l'Europa ha deciso di dotarsi di un sistema indipendente di posizionamento satellitare: il progetto si chiama Galileo ed è previsto che entri in funzione nel 2008.