TRANSISTORE

TRANSISTORE

Generalità. - Transistore a punte di contatto; transistore a giunzione. - Il t. è un dispositivo elettronico a semiconduttore ideato nel 1948 da un gruppo di ricercatori guidati da W. Shockley, J. Bardeen, W. Brattain, operanti presso i Bell Telephone Laboratories di Murray Hill (N.J., S.U.A.). Si tratta di un dispositivo che per la sua concezione ha rivoluzionato letteralmente l'elettronica: il premio Nobel per la fisica, conferito nel 1956 agli inventori, ha suggellato l'importanza della scoperta dell'effetto transistore che sta alla base del funzionamento di questa nuova classe di dispositivi elettronici.

Tale effetto si può schematizzare nel seguente modo. Se di due elettrodi metallici appuntiti, poggiati vicinissimi (distanza di qualche decina di μ) su un monocristallo semiconduttore purissimo (per es. germanio), uno viene polarizzato nel senso di facile conduzione (elettrodo emettitore) e l'altro nel senso di difficile conduzione (elettrodo collettore), si crea attorno ai contatti elettrodici una zona di interazione in cui la corrente d'emettitore è in grado di comandare la corrente di collettore. Il dispositivo è completato (fig.1) da un terzo elettrodo, detto base, che viene applicato a una faccia del cristallo semiconduttore: si ha così il transistore a punte di contatto (ingl. point-contact transistor). Il funzionamento del t. a punte di contatto viene spiegato ammettendo che la punta emettitrice inietti nel germanio di tipo n delle cavità che si diffondono nel materiale..

Ricordiamo che un semiconduttore avente conduttività di tipo n è caratterizzato dalla prevalenza di elettroni (aventi carica negativa, donde il simbolo n), tra i portatori di cariche liberi di muoversi nel cristallo semiconduttore, mentre un semiconduttore avente conduttività di tipo p è invece caratterizzato dalla prevalenza di cariche virtuali positive (donde il simbolo p), dette lacune o cavità (ingl. holes), costituite dai vuoti che si creano per l'allontanamento di elettroni nel reticolo cristallino (v. semiconduttori, in questa App.).

Circa un anno dopo il t. a punte di contatto fu ideato un altro tipo di t., detto a giunzione (ingl.: junction transistor).

Questo tipo di t., che oggi è di gran lunga il più usato, risulta dalla giustapposizione di tre regioni semiconduttrici aventi tipi di conduttività tra loro alternantisi: p-n-p oppure n-p-n. Delle due forme menzionate è attualmente più usata la prima, p-n-p, schematizzata in fig. 2. Le tre zone di diversa conduttività sono separate fra loro da regioni di transizione, le cosiddette giunzioni, d'emettitore, e, e di collettore, c. La giunzione d'emettitore è polarizzata mediante una sorgente di f.e.m., nel senso "diretto" (il che equivale a dire che la regione p è tenuta a un potenziale superiore a quello della zona n); un'altra sorgente provvede a polarizzare in senso "inverso" la giunzione di collettore. In sostanza, il t. a giunzione consta della riunione di due raddrizzatori p-n (costituiti dalle giunzioni) aventi una zona in comune (fig. 3).

Quanto al funzionamento, si supponga anzitutto che nella sezione di sinistra del t. (fig. 2) non si abbia circolazione di corrente (corrente d'emissione I_e nulla). In tali condizioni, fra lo strato p di destra e lo strato n centrale circola solo una debole corrente (corrente di sbarramento o corrente inversa). Se ora attraverso lo strato p di sinistra si invia una corrente verso lo strato n, questa corrente, detta d'iniezione, è costituita essenzialmente da cavità che dallo strato p penetrano nella giunzione d'emettitore e proseguono verso lo strato n. se tale strato è sottile (e la ricombinazione fra cavità ed elettroni è pertanto debole) una gran parte delle cavità raggiunge la giunzione di collettore, attraversa la regione di caduta di potenziale quivi esistente e raggiunge lo strato p di destra; le cavità erogate dall'emettitore vengono incamerate dal collettore e qui si ricombinano cogli elettroni affluenti dalla batteria di polarizzazione.

La corrente di collettore viene così a dipendere dalla corrente d'emettitore. A una variazione, per es. a un aumento, della corrente di emettitore non corrisponde peraltro un'uguale variazione della corrente di collettore, sostanzialmente per due ragioni: a) la corrente d'emissione misurata sul circuito esterno non è formata soltanto dalle cavità anzidette, ma anche da elettroni che dallo strato di base vanno verso l'emettitore contribuiscono a formare la corrente d'emettitore ma non, evidentemente la corrente di collettore; b) una parte delle cavità provenienti dall'emettitore va perduta durante la diffusione verso lo strato di base a seguito della ricombinazione con elettroni.

I t. a giunzione possono essere fabbricati in molti modi; attualmente i due tipi principali sono quello a giunzione coltivata e quello a giunzione legata.

Nel processo di fabbricazione del t. a giunzione coltivata, un seme di monocristallo di germanio opportunamente scelto ed avente conduttività di tipo n, viene estratto lentamente (velocità di pochi centimetri all'ora) da una massa fusa di germanio di guisa che si rapprenda continuamente sul seme una massa fusa, che va ad accrescerlo cristallizzandosi in armonia con esso. Ad un certo momento si lascia cadere sulla massa fusa una sferetta di materiale fungente da impurezza di tipo p per il germanio: le regioni successivamente cristallizzantisi di germanio, non sono più di tipo n ma di tipo p. Introducendo nella massa fusa un'altra sferetta, questa volta di tipo n, cambia nuovamente il tipo di conduttività del cristallo in fase di accrescimento. In definitiva si ottiene un cristallo che presenta lungo la direzione di accrescimento una successione di regioni n, p, n. Il cristallo viene poi tagliato in piccoli parallelepipedi aventi l'asse principale parallelo all'asse di accrescimento e che costituiscono altrettanti t. n p-n a giunzione coltivata.

Per realizzare il t. a giunzione legata, su una lastrina di germanio di tipo p si dispone una sferetta di metallo che funga da impurezza di tipo n per il germanio. Riscaldando il tutto, si forma una miscela di metallo e di germanio fuso; nel successivo raffreddamento, il germanio ricristallizza sulla lastrina ma conserva una quantità sufficiente di metallo donatore, in soluzione solida, per convertirsi in germanio di tipo n, mentre il metallo in eccesso si consolida a guisa di bottone alla superficie. Il procedimento viene ripetuto sulla faccia opposta della lastrina di germanio; si ottiene così un t. che si presenta schematicamente come in fig. 4.

I t. a giunzione coltivata hanno minore capacità di collettore e quindi sono più adatti dei t. a giunzione legata per funzionare a frequenze elevate. Questi ultimi presentano una minore resistenza di base e una maggiore capacità di dissipazione di collettore, ottenute mercé l'impiego di un contatto a fascia anulare; essi sono altresì di fabbricazione assai più facile, talché oggi la maggior parte dei t. a giunzione è del tipo "legato".

Amplificazione di corrente, di tensione e di potenza. - Il più importante tra i parametri che caratterizzano il comportamento di un t. è il coefficiente di amplificazione di corrente (in condizioni di corto circuito) o fattore α, pari, secondo la definizione originaria di Bardeen e Brattain, al rapporto:

dove I_c e I_e sono rispettivamente la corrente di collettore e la corrente di emettitore, V_c è il potenziale del collettore e il t. è connesso nello schema "a base comune" (fig. 2).

In un t. a giunzione il fattore di amplificazione α è, per le ragioni esposte dianzi, sempre minore di 1 (normalmente si ottengono valori fra 0,90 e 0,99); in un t. a punte di contatto esso ha invece, generalmente, un valore compreso fra 1 e 5.

Ai capi della resistenza di carico R_L si ha, quando I_c varia della quantità ΔI_c, una variazione di caduta di tensione ΔI_c R_L. Per far variare la corrente d'emettitore I_c della stessa quantità è sufe ficiente una piccola variazione della tensione di collettore V_c e ciò in quanto la zona d'emettitore è polarizzata nel senso diretto e quindi presenta una resistenza bassissima. Il coefficiente di amplificazione di tensione α_v di un t. a giunzione, sempre nello schema a base comune, risulta pari, nel caso che R_L sia relativamente basso, al rapporto R_L/R₁, ove R₁ è la resistenza d'ingresso dello stadio, fra base ed emettitore. Quando R_L è alta e comunque è maggiore della resistenza interna R₂ della zona di collettore, l'amplificazione di tensione tende, al crescere di R_L, al valore limite R₂/R₁.

L'amplificazione di potenza è massima quando R_L è uguale alla resistenza interna R₂ di collettore; in tali condizioni, riducendosi l'amplificazione di tensione alla metà del suo valore a vuoto e l'amplificazione di corrente alla metà del suo valore di corto circuito, l'amplificazione di potenza diventa: α_w = R₂/4R₁.

Nella fig. 5 sono riportate alcune caratteristiche statiche di un tipico t. a giunzione.

Principali tipi di transistori. - I tipi di t. sono ormai numerosissimi; quelli sostanzialmente diversi fra loro non sono però più di una quarantina.

Fra i tipi più significativi, derivanti più o meno direttamente da quelli fondamentali, già considerati, a punte di contatto e a giunzione, ricordiamo i seguenti:

a) Transistore (a giunzione legata) a valanga. Utilizza il processo di moltiplicazione delle cariche (elettroni e cavità) che ha luogo per valori sufficientemente elevati della tensione di polarizzazione inversa della giunzione di collettore: al crescere della polarizzazione inversa, la regione di carica spaziale localizzata nella giunzione si estende intensificando il ritmo di produzione delle coppie elettroni-cavità. Il processo di moltiplicazione può essere controllato per mezzo di una giunzione d'emettitore situata molto vicino alla giunzione di collettore. Il t. a valanga presenta un'estesa regione di funzionamento a resistenza differenziale negativa e ha un coefficiente d'amplificazione α maggiore di 1.

b) Transistore a base ed emettitore diffusi. La fabbricazione di questo t. è basata sul fatto che nel silicio il coefficiente di diffusione di un accettore del III gruppo della classificazione periodica degli elementi è da 10 a 1.000 volte superiore a quella dell'elemento donatore del V gruppo che è situato nello stesso periodo: a regime, la concentrazione superficiale delle impurezze donatrici risulta pertanto da 10 a 100 volte superiore di quella delle impurezze accettrici. Praticando la diffusione simultanea di opportune impurezze donatrici ed accettrici nel silicio di tipo n si può per tal via ottenere una struttura di tipo n-p-n. Questo tipo di t. appare particolarmente adatto per funzionare ad alte frequenze, sino a qualche centinaio di MHz.

c) Transistore p-n-i-p, ovvero a strato intrinseco. Questo dispositivo, dovuto a J. M. Early, si presenta come un t. di tipo p-n-p, nel quale tra la base n e il collettore p sia stata inserita una zona relativamente spessa di germanio intrinsecamente puro, cioè quasi privo di centri donatori ed accettori (zona i). Ciò consente di stabilire uno spesso strato di collettore a tensione relativamente bassa, e quindi di conseguire una bassa capacità di collettore, particolarmente preziosa nel funzionamento alle alte frequenze.

d) Transistori a barriera superficiale. Contrariamente ai t. convenzionali, sono costituiti da un semiconduttore avente un solo tipo di conduttività, e precisamente di tipo n. La denominazione proviene dal fatto che le interfacce di questi dispositivi (le quali attuano le funzioni di emettitore e di collettore) sono situate alla superficie di una sottile lastrina di germanio avente funzione di base.

Fototransistori. - Costituiscono una categoria particolare di dispositivi fotoelettrici, ad altissima sensibilità (dell'ordine di 0,3 A/lumen). Differiscono dai t. convenzionali per il fatto che in questi il funzionamento è legato all'iniezione di portatori di cariche minoritarie nel cristallo semiconduttore, mentre nei fototransistori il funzionamento è legato alla liberazione di portatori di cariche nel semiconduttore per effetto fotoelettronico.

Tetrodi a punte di contatto e a giunzione. - Sono stati realizzati t. a quattro elettrodi, che dovrebbero consentire, tra l'altro, il funzionamento a frequenze più elevate di quelle raggiungibili coi t. normali: si tratta peraltro di dispositivi non ancora affermatisi.

Confronto fra transistori e tubi elettronici. - Si può stabilire un'analogia fra i tubi e i t. Per es., un t. a giunzione n-p-n può farsi corrispondere a un triodo secondo lo schema analogico nel quale il catodo del triodo corrisponda alla giunzione sinistra n-p del t. la griglia corrisponda alla base del t., e l'anodo alla giunzione destra p-n del t. Certe differenze sostanziali fra i circuiti a t. e quelli con tubi a vuoto limitano però l'utilità di una analogia diretta, almeno sotto l'aspetto, più importante, dell'amplificazione.

In un tubo elettronico, l'amplificazione avviene in quanto la corrente del circuito anodico viene comandata mediante variazioni della tensione della griglia di comando; la resistenza interna del dispositivo è piuttosto alta (dell'ordine di qualche centinaio di migliaia di ohm).

In un t. l'amplificazione avviene invece attraverso il comando della corrente del circuito di collettore mediante variazioni della corrente di emettitore; la resistenza interna del dispositivo è molto bassa (dell'ordine di qualche decina di ohm).

La gamma di potenza che può essere coperta dai tubi elettronici ha inoltre un'ampiezza di circa 19 ordini di grandezza, estendendosi da 1000 kW a qualche decimo di pW; quella dei t. ricopre appena 15 ordini di grandezza, il limite inferiore essendo di poco superiore a quello dei tubi, mentre il limite superiore si aggira sui 10 ÷ 100 W.

Passando a un confronto diretto fra le caratteristiche elettriche medie dei due dispositivi si può dire che i t. si trovano in condizioni di inferiorità rispetto ai tubi sotto i seguenti aspetti principali:

1) i t. non possono competere, almeno per il momento, con i tubi elettronici nel campo delle frequenze altissime;

2) il rumore proprio dei t. è più elevato di quello dei tubi;

3) la dissipazione di potenza ammissibile nei t. è in genere assai minore di quella ammissibile nei tubi;

4) l'impedenza d'ingresso dei t. è assai minore di quella dei tubi ed è per di più assai variabile al variare delle condizioni di lavoro.

Viceversa, i t. possono vantare sui tubi elettronici i seguenti punti a favore:

1) l'ingombro è ridottissimo;

2) manca l'alimentazione di filamento;

3) il rendimento come amplificatore per BF a bassi livelli è assai elevato;

4) le tensioni di alimentazione sono basse, dell'ordine di qualche V, al massimo di poche decine di V;

5) la trasconduttanza è generalmente notevole;

6) impiegando unità n-p-n e p-n-p si può far funzionare il dispositivo con correnti e tensioni delle due polarità;

7) le funzioni d'emettitore e di collettore si possono in genere scambiare fra loro;

8) la vita media di campioni normali è dell'ordine di 30.000 ore, cioè sensibilmente più elevata dalle 10.000 ore di vita probabile dei tubi elettronici correnti.

Esempi di circuiti a transistori. - L'impiego principale dei t. si ha nei circuiti amplificatori, per i quali si hanno i seguenti tre tipi fondamentali: a) circuito amplificatore a emettitore comune; b) circuito amplificatore a base comune; c) circuito amplificatore a collettore comune.

A meno di circostanze particolari, viene normalmente preferito l'amplificatore a emettitore comune (fig. 6 A), che presenta un guadagno di potenza maggiore di quello conseguibile con gli altri due schemi. I segnali d'ingresso e d'uscita risultano sfasati tra loro di 180°. Questo circuito si può considerare l'analogo del circuito con triodo in connessione normale ("catodo a massa": fig. 6 B).

Nell'amplificatore a base comune (fig. 7 A) il guadagno di tensione è uguale all'incirca a quello che si ha nel precedente tipo di circuito; il guadagno di corrente e quello di potenza sono invece minori. I segnali d'ingresso e d'uscita risultano in fase tra loro. Il circuito a base comune viene spesso usato come dispositivo trasformatore di impedenze per accoppiare un circuito a bassa impedenza a un carico ad alta impedenza: esso è l'analogo del circuito amplificatore a triodo "con griglia a massa" (fig. 7 B).

Nell'amplificatore a collettore comune (fig. 8 A) il guadagno di corrente è all'incirca uguale a quello dell'amplificatore ad emettitore comune; il guadagno di tensione è invece sempre minore dell'unità; il guadagno di potenza risulta notevolmente inferiore a quello degli altri due tipi d'amplificatore. I segnali d'ingresso e d'uscita risultano in fase tra loro. Questo amplificatore viene spesso usato come dispositivo trasformatore di impedenze per accoppiare un circuito ad alta impedenza ad un carico a bassa impedenza e si può considerare l'analogo del circuito a triodo "inseguitore catodico" o "ad accoppiamento catodico" (fig. 8 B).

Anche per gli amplificatori a t. possono aversi le classi di funzionamento A, B, C e intermedie che si hanno negli amplificatori con tubi (v. amplificatore elettrico, App. II, 1, p. 164). Negli amplificatori a più stadi, molto usato è l'accoppiamento a trasformatore e quello a resistenza-capacità: quest'ultimo consente in particolare una notevole economia nell'ingombro totale.

Un cenno particolare merita l'amplificatore a simmetria complementare, esclusivo del campo dei t., caratterizzato dall'uso di unità identiche ma di polarità opposte (unità p-n-p e unità n-p-n).

Questo tipo di amplificatore presenta, nella versione in controfase, parecchi vantaggi rispetto agli analoghi amplificatori costituiti da t. identici. Tra l'altro, la corrente alimentatrice del circuito d'uscita, erogata dalla batteria, circola in serie attraverso i due t.; il rendimento è elevato e può avvicinarsi al valore teorico del 50%.

Come dispositivo suscettibile di attuare un'amplificazione di potenza, il t. è ovviamente in grado di produrre oscillazioni persistenti, cioè di funzionare come oscillatore.

Il tratto a resistenza negativa che è presente nelle caratteristiche di molti t. consente loro di funzionare come oscillatori a bipolo: è questo normalmente il caso dei t. a punte di contatto. I t. a giunzione, invece, presentando un guadagno di corrente minore di 1, possono fungere da oscillatori solo se inseriti in un circuito a reazione (oscillatori a quadripolo: v. oscillatore, in questa App.). Benché questo non sia il loro modo normale d'impiego, anche i t. a punte di contatto possono essere usati per l'attuazione di oscillatori a quadripolo.

principali applicazioni dei transistori. - Le applicazioni dei t. sono ormai numerosissime.

Esistono almeno cinque settori in cui i t. si sono affermati in modo pieno, in alcuni casi soppiantando completamente i tubi elettronici: a) amplificatori per deboli di udito; b) radioricevitori portatili; c) apparecchiature elettroniche alimentate a batteria o destinate ad aeromobili; d) calcolatrici elettroniche; e) apparecchiature e strumenti di misura (soprattutto portatili).

Un altro settore in cui gli sviluppi sono promettenti è quello della commutazione elettronica, soprattutto nel campo telefonico.

Esistono, d'altra parte, due campi in cui i t. occupano, almeno per il momento, una posizione di secondo piano nei riguardi dei tubi elettronici e questi sono precisamente il campo delle altissime frequenze (maggiori all'incirca di 50 ÷ 100 MHz) e quello delle alte potenze (all'incirca al di sopra di 10 ÷ 100 W).

Bibl.: W. Shockley, The theory of p-n junction in semiconductors and p-n junction transistors, in Bell System Technical Journal, 1949, p. 435; J. Dosse, Der Transistor: ein neues Verstärkeelement, Monaco di Baviera 1955; A. W. Lo, R. O. Endres, J. Zawels, F. D. Waldharer e C. C. Cheng, Transistor electronics, Englewood Cliffs 1955; R. F. Shea, Principles of transistor circuits, New York 1953; id., Transistor audio amplifiers, New York 1955.