Introduzione ai Transistor

Cos’è un transistor? #

Il transistor è la base della elettronica moderna e costituisce la parte essenziale di ogni CPU, memoria RAM o controller come il nostro ESP32. E’ facile dimenticare come questi e tanti altri dispositivi siano composti, alla fine, solo di una massa di transistor e pochi componenti secondari. Il numero dei transistor in un dispositivo può andare da un singolo transistor che pilota un LED fino a decine di milardi per conservare i “GIGA” delle chiavette USB.

Come mai il transistor è onnipresente nella moderna elettronica? #

Il transistor è così importante perchè elettricamente si comporta come una resistenza “intelligente” che agevola o impedisce il passaggio della corrente tra due terminali. Ma rispetto alla modesta “resistenza” elettrica, il transistor possiede TRE elettrodi e non DUE…

Sfruttando questo principio funzionano, ad esempio, le memorie RAM: Gli stati 0 e 1 sono rappresentati da transistor bloccati (senza passaggio di corente) o attivi (cioè conducono corrente) e in tal modo riescono a conservare ogni tipo di dati, video e immagini comprese.

I transitor e le “valvole”: se hai già una qualche conoscenza di elettronica avrai letto che il funzionamento del transistor è simile a quello delle antiche “valvole” termoioniche, ormai rintracciabili sono in alcuni amplificatori HI-FI per amatori.

Elettricamente il transistor funziona come una valvola termoionica, ma la somiglianza finisce qui. Il transistor è un robusto componente elettronico a semiconduttore capace di gestire picchi di corrente notevolissimi, di interrompere il passaggio della corrente a velocità formidabili (i GigaHertz delle moderne CPU) e di avere una durata quasi “eterna”.

La funzione che più interessa il mondo del digitale è il suo funzionamento come interruttore. Possiamo utilizzarlo ad esempio per interrompere un segnale elettrico e spegnere un LED o un servo-motore. In questo caso, quando la tensione applicata alla base è inferiore a una certa soglia, la giunzione P-N è isolata e non consente il passaggio di corrente elettrica tra collettore ed emettitore.

La spiegazione passo dopo passo: #

1. Quando una tensione viene applicata alla base del transistor, si crea una corrente elettrica nella giunzione P-N.
2. Questa corrente provoca un aumento della conduttività.
3. La minore resistenza accresce il passaggio della corrente principale tra collettore ed emettitore.

Una brevissima storia dei transistor #

L’esordio del transistor risale all’inizio del 20° secolo. Il primo transistor fu inventato nel 1947 da un team di scienziati dei Bell Laboratories negli Stati Uniti, che comprendeva William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain. Questa invenzione fu una svolta monumentale nell’elettronica, segnando l’inizio dell’era dei semiconduttori.

Il transistor fu un’invenzione rivoluzionaria perché offriva un’alternativa più affidabile e compatta ai tubi a vuoto utilizzati nei dispositivi elettronici dell’epoca. I tubi a vuoto erano ingombranti, consumavano molta energia e avevano una durata limitata, mentre i transistor erano piccoli, richiedevano meno energia e avevano una durata molto più lunga, rendendoli ideali per l’uso in una vasta gamma di dispositivi elettronici.

Evoluzione e transistor moderni #

Dopo l’invenzione del transistor unigiunzione nel 1947, il campo dell’elettronica entrò in un periodo di rapida innovazione. Nonostante questo il transistor, seppure rivoluzionario, era difficile da produrre in modo affidabile e non era adatto per la produzione di massa.

Questa “debolezza” dei primi prototipi stimolò lo sviluppo del transistor a giunzione, un design più affidabile e più facile da produrre, nei primi anni 1950.

Il transistor a giunzione era un dispositivo con tre strati di materiale semiconduttore, Uno degli strati che poi venne chiamato la base, era inserito tra due strati più spessi dell’altro tipo.

Negli anni 1950 e 1960, il transistor ha subito un’ulteriore evoluzione con lo sviluppo del transistor a giunzione bipolare (BJT)e del transistor a effetto di campo (FET) 4. Mentre il BJT, operando su un principio diverso, resta sempre un dispositivo a tre strati, il FET è un dispositivo a quattro strati che controlla la larghezza di un “canale” attraverso il quale scorre la corrente.

Lo sviluppo di questi nuovi tipi di transistor ha aperto nuove possibilità per la progettazione elettronica. I transistor sono adesso utilizzati non solo per amplificare i segnali, ma anche per accenderli e spegnerli, rendendo possibile l’elettronica digitale.

Questo avanzamento ha portato allo sviluppo di circuiti integrati, che sono collezioni di transistor e altri componenti su un singolo chip, nel 1958 Dal 1960, circuiti integrati sono stati utilizzati in una vasta gamma di dispositivi elettronici.

Nel 1970, è stato sviluppato il transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET), che è diventato il tipo più comune di transistor in uso oggi, in quanto ha diversi vantaggi rispetto ai precedenti tipi di transistor. Ad esempio, è più facile da produrre, può essere reso molto piccolo e consuma pochissima energia.

I diversi tipi di transistor in breve #

Esistono dunque vari tipi di transistor, che si differenziano per la struttura e il funzionamento. Ricordiamoli brevemente e più avanti li analizzeremo in dettaglio:

• Transistor a giunzione bipolare (BJT): è il tipo di transistor più comune. È costituito da una giunzione P-N, e il suo funzionamento si basa sulla corrente elettrica che scorre attraverso questa giunzione.
• Transistor a giunzione di ioni mobili (IGBT): è un tipo di transistor che combina le caratteristiche dei BJT e dei FET. È caratterizzato da una bassa resistenza di ON, che lo rende adatto per applicazioni di potenza.
• Transistor a effetto di campo (FET): è un tipo di transistor in cui il flusso di corrente è controllato da un campo elettrico.

I FET a loro volta si suddividono a loro volta in due sotto categorie principali:

• FET a canale N (NMOS): il canale è di tipo N, e la corrente scorre dal drain verso il source.
• FET a canale P (PMOS): il canale è di tipo P, e la corrente scorre dal source verso il drain.

Le applicazioni dei transistor nel campo del digitale #

I transistor sono dunque fondamentali per la realizzazione di circuiti logici, circuiti di memoria e circuiti di calcolo, vediamo per sommi capi quali sono le maggiori applicazioni:

Circuiti logici #

I circuiti logici sono utilizzati per eseguire operazioni logiche, come AND, OR, NOT, XOR e NAND. I transistor possono essere utilizzati per realizzare qualsiasi circuito logico, e sono la base di tutti i calcolatori digitali.

Circuiti di memoria #

I circuiti di memoria sono utilizzati per memorizzare dati. I transistor possono essere utilizzati per realizzare diversi tipi di circuiti di memoria, come la memoria statica (SRAM), la memoria dinamica (DRAM) e la memoria flash

Circuiti di calcolo #

I circuiti di calcolo sono utilizzati per eseguire operazioni matematiche. I transistor possono essere utilizzati per realizzare diversi tipi di circuiti di calcolo, come i circuiti additivi, i circuiti sottrazionali e i circuiti moltiplicativi.

Principi di base dei transistor #

Seppure ne esistano, come vedi, decine di tipi diversi, i transistor funzionano in base agli stessi, identici principi della fisica dei semiconduttori. Al centro di questi principi c’è il concetto di portatori di carica, che possono essere 1.elettroni o 2.“holes” (l’assenza di un elettrone). Il comportamento dei portatori di carica determina il flusso dei segnali elettrici.

Fisicamente, un transistor è costituito da tre strati di materiale semiconduttore: #

1. Emettitore
2. Base
3. Collettore.

L’emettitore e il collettore sono generalmente fortemente drogati, il che significa che hanno un’alta concentrazione di portatori di carica, mentre la base è SOLO leggermente drogata. L’emettitore e il collettore appartengono a un tipo di doping (tipo N o tipo P), mentre la base appartiene all’altro tipo.

La chiave per il funzionamento di un transistor è la giunzione base-emettitore, che funge da gate. Applicando una piccola corrente alla base, consente a una corrente molto più grande di fluire dall’emettitore al collettore. Questo è l’effetto di amplificazione di un transistor.

Cosa ricordare dei transistor bipolari: #

I transistor bipolari sono componenti elettronici a semiconduttore che possono essere utilizzati per amplificare o interrompere un segnale elettrico. Sono composti da tre terminali, chiamati base, collettore ed emettitore.

Il transistor bipolare può quindi essere utilizzato per amplificare un segnale elettrico. In questo caso, la corrente elettrica in uscita dal transistor è molto maggiore della corrente elettrica in ingresso.

Ma può anche essere utilizzato per interrompere un segnale elettrico. In questo caso, quando la tensione applicata alla base è inferiore a una certa soglia, la giunzione P-N è isolata e non consente il passaggio di corrente elettrica tra collettore ed emettitore.

Tipi di transistor bipolari #

Esistono due tipi principali di transistor bipolari:

• Transistor NPN: la base è di tipo p, mentre l’emettitore e il collettore sono di tipo n.
• Transistor PNP: la base è di tipo n, mentre l’emettitore e il collettore sono di tipo p. Il funzionamento dei transistor bipolari NPN e PNP è identico, ma la polarità delle tensioni applicate ai terminali è invertita.

Le applicazioni dei transistor bipolari #

I transistor bipolari sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, tra cui:

• Elettronica digitale: i transistor bipolari sono fondamentali per la realizzazione di circuiti logici, circuiti di memoria e circuiti di calcolo.
• Elettronica analogica: i transistor bipolari vengono utilizzati per amplificare, filtrare e generare segnali analogici.
• Elettronica di potenza: i transistor bipolari vengono utilizzati per controllare dispositivi ad alta potenza, come motori elettrici e trasformatori.

Vantaggi e svantaggi dei transistor bipolari #

I transistor bipolari presentano una serie di vantaggi e svantaggi rispetto ad altri tipi di transistor, come i transistor a effetto di campo.

Vantaggi: #

• Ampio range di guadagno: i transistor bipolari possono fornire un guadagno molto elevato, rendendoli adatti per applicazioni di amplificazione.
• Bassa impedenza di uscita: i transistor bipolari hanno una bassa impedenza di uscita, rendendoli adatti per applicazioni di - commutazione.
• Buona stabilità termica: i transistor bipolari sono relativamente stabili termicamente, rendendoli adatti per applicazioni in cui la temperatura può variare.

Svantaggi: #

• Consumo di corrente: i transistor bipolari consumano una corrente relativamente elevata, rendendoli meno efficienti dei - transistor a effetto di campo.
• Dimensioni: i transistor bipolari sono generalmente più grandi dei transistor a effetto di campo, rendendoli meno adatti per applicazioni in cui lo spazio è limitato.

In generale, i transistor bipolari sono una buona scelta per applicazioni che richiedono un alto guadagno, una bassa impedenza di uscita o una buona stabilità termica. Questo tipo di componente può essere una valida alternativa ai FET per pilotare motori elettrici o amplificatori o lampade con l’ESP32.

I Transistor a effetto di campo (FET) in dettaglio #

I transistor a effetto di campo (FET) sono un tipo di transistor in cui il flusso di corrente è controllato da un campo elettrico.

I FET si suddividono in due categorie principali: #

• FET a canale n (NMOS): il canale è di tipo n, e la corrente scorre dal drain verso il source.
• FET a canale p (PMOS): il canale è di tipo p, e la corrente scorre dal source verso il drain.

Quando la tensione applicata al gate è sufficientemente alta, il campo elettrico crea un canale di conducibilità nella regione di semiconduttore drogata. Questo canale consente il passaggio della corrente elettrica.

La corrente che scorre tra i terminali drain e source dipende dalla tensione applicata al gate. Maggiore è la tensione applicata al gate, maggiore è la corrente che scorre tra i due terminali. #

I FET presentano una serie di vantaggi rispetto ai transistor bipolari, tra cui: #

• Elevata impedenza di ingresso: l’impedenza di ingresso di un FET è molto elevata, il che significa che il transistor richiede una piccola quantità di corrente per essere controllato. Questo lo rende ideale per applicazioni in cui è necessario ridurre il consumo energetico.
• Alta efficienza: i FET sono più efficienti dei transistor bipolari, in quanto convertono più energia elettrica in corrente elettrica. Questo li rende ideali per applicazioni in cui è necessario ridurre le perdite di potenza.
• Alta velocità di commutazione: i FET possono essere commutati molto rapidamente, il che li rende ideali per applicazioni in cui è necessario generare segnali ad alta frequenza.

In conclusione #

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