UDA - L`Evoluzione della componentistica elettronica dai tubi a

ISTITUTO DI ISTRUZIONE SECONDARIA SUPERIORE
[email protected] - 74028 SAVA (TA)
L’Evoluzione della componentistica
elettronica dai tubi a vuoto agli attuali
circuiti integrati
Classe IV A Sirio
Introduzione
Tra la fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento (1870-1914), la società
industriale assume dimensioni mondiali. Questo periodo, conosciuto come
Belle Époque, è caratterizzato da un intenso sviluppo economico, tecnicoscientifico e culturale garantendo alle fasce più alte della popolazione europea
prosperità e benessere. All’interno delle grandi città, i progressi materiali sono
più evidenti. Si assiste ad un essenziale miglioramento delle condizioni di vita,
grazie ad una serie di servizi prima sconosciuti: l’illuminazione pubblica, il
sistema fognario, la strada asfaltata, gli ospedali, le scuole e i trasporti pubblici.
Tra le invenzioni che hanno cambiato maggiormente il modo di vivere si può
annoverare l’energia elettrica e la lampadina elettrica come fonte di
illuminazione.
... Tutto iniziò con la lampadina
Joseph Wilson Swan
Chimico, medico e inventore inglese. Inizia a lavorare sulla
lampada ad incandescenza nel 1850, nel 1860 dimostra che
può funzionare e nel 1878 la brevetta utilizzando il filamento di
carbonio ,è il prototipo della lampadina.
Thomas Alva Edison (11 Febbraio 1847-18 Ottobre 1931)
T. Edison migliora la lampada ad incandescenza inventata da
Swan.
Durante i suoi esperimenti si accorge che la lampadina tende ad
annerirsi diminuendo l’efficienza, ciò dipende dal filamento in
carbonio. Pensa così di modificarlo inserendo all’interno della
lampada un elettrodo per catturare le particelle prodotte.
Non accade ciò che si aspetta: nota che vi è un passaggio di
corrente quando si applica una differenza di potenziali tra i due
elettrodi cosi ottenuti (effetto Edison). Nasce cosi il primo prototipo
di diodo.
Joseph John Thomson
(18 Dicembre 1856- 30 Agosto 1940)
Il fisico J. J. Thomson, premio Nobel per la fisica nel 1906, deduce che i raggi catodici,
emessi da metalli riscaldati, sono composti da particelle con carica negativa aprendo la
strada allo studio delle particelle subatomiche e dell’elettrone. Dà così una spiegazione
dell’effetto Edison.
L’ emissione termoionica

Quando un corpo metallico, come il filamento della lampadina di Edison, viene
portato ad alta temperatura, gli elettroni più esterni, del metallo, subiscono un
innalzamento della loro energia cinetica. L’aumento di energia è così elevato
che moltissimi elettroni riescono ad abbandonare gli atomi che li ospitano
formando una nube di carica negativa nello spazio intorno al filamento caldo.

Questo fenomeno è chiamato «emissione termoelettronica o effetto
termoionico». Si verifica quando l’energia somministrata a ciascun elettrone
supera quella di ionizzazione tipica dell’elemento chimico utilizzato per costruire
il filamento.

La legge matematica che regola questo fenomeno detta legge di Richardson è :

J = A T2 e – W/K T
Dove:

J è la densità di corrente emessa espressa in A/m2;

A è una costante;

T è temperatura assoluta in gradi Kelvin dell’elemento emittente;

W è il lavoro di estrazione del metallo, variabile in relazione al materiale usato

k: la costante di Boltzmann pari a 1.380
Il diodo …
Nel 1889 John Ambrose Fleming, consulente scientifico della «Marconi Wireless
Telegraph Company», ricerca un dispositivo più affidabile del coherer a limatura, per la
rivelazione delle onde radio, sviluppando i tubi a vuoto a due elementi, i cosiddetti «diodi».
Nasce così nel 1904 un dispositivo consistente in una lampadina con una piastrina
aggiuntiva.
Si scopre che dando tensione alla lampada, il suo filamento si riscalda fino
all’incandescenza emettendo elettroni catturati dalla piastrina metallica a cui è data carica
positiva da una seconda batteria, è il primo diodo. Questa valvola, detta «tubo di
Fleming»,verrà utilizzata come elemento rivelatore nei ricevitori telegrafici.
John Ambrose Fleming
(29 Novembre 1849- 18 Aprile 1945 )
Schema applicativo del
Diodo di Fleming
Diodo di Fleming
Pertanto se l’anodo è polarizzato positivamente rispetto al catodo (polarizzazione
diretta) si ottiene un flusso di elettroni, quindi una corrente elettrica (fig.1). Se, invece,
la polarizzazione è opposta (polarizzazione inversa), non si avrà alcuna corrente in
quanto l’anodo tenderà a respingere gli elettroni (fig.2). Il dispositivo lascia così
passare la corrente in un solo senso e il suo uso è di rettificatore o di rivelatore.
Fig. 1
Fig. 2
Dal diodo al triodo
Nel 1907 Lee de Forest scopre che, interponendo un filo tra il filamento e la
placca (anodo), è possibile controllare la corrente che passa fra gli elettrodi (anodo
e catodo) e brevetta il suo audion (triodo), usato come amplificatore e oscillatore
negli apparati radio dell’epoca. Si tratta di un tubo elettronico che, invece di avere
due elettrodi come il diodo di Fleming, ne ha un terzo, la cosiddetta griglia di
comando, riuscendo così non solo a decodificare i segnali radio, ma anche ad
amplificarli.
CURIOSITÀ
Lee De Forest è stato uno scienziato, inventore, regista, anche produttore
cinematografico e direttore della fotografia statunitense.
Ha brevettato più di trecento invenzioni nel campo della telegrafia, telefonia,
della radio, del cinema sonoro e della televisione.
Audion (triodo) di Lee De Forest
Nell’immagine si può notare che il catodo a riscaldamento diretto è costituito dal
filamento di una lampada ad incandescenza, la griglia di controllo da un filo ripiegato
ad elica e l’anodo da una placchetta metallica.
Questo dispositivo ha permesso la realizzazione di circuiti che hanno determinato la
nascita di una nuova disciplina, l’elettronica.
Il terzo elettrodo aggiunto permette, grazie alla sua forma e posizione, il controllo del
flusso degli elettroni generato dal catodo. Piccole variazioni di
tensione sulla griglia
generano grandi variazioni di corrente anodica quindi di tensioni anodiche. La tecnologia
elettrica di quel tempo
può
così
utilizzare un
nuovo
ed importante
effetto:
“l’amplificazione”.
Ai triodi, seguono altri tipi di tubi elettronici con caratteristiche molto diversificate e
l’aggiunta di ulteriori griglie (tetrodi, pentodi, eptodi) che prendono il nome dal numero di
elettrodi presenti nel tubo. Sono utilizzati nel campo dell’amplificazione, della rivelazione e
della conversione di segnale.
Schema di amplificatore
con triodo termoionico
Parallelamente a questi congegni, vengono
realizzati anche dispositivi a gas ottenuti dai
precedenti con l’aggiunta di vapori di mercurio
per i diodi rettificatori di potenza o di miscela di
gas nobili nei triodi a gas (Thyratron).
 Un’altra tipologia di tubi è quella ad onda
viaggiante (TWT) che sfrutta le proprietà
delle cavità risonanti, ancora oggi utilizzati
per l’amplificazione di segnali nel campo
delle microonde per elevate potenze.
 Tra
queste valvole, il più noto è il
magnetron che trova applicazione nei
dispositivi radar e nel campo della cottura
degli alimenti ( forno a microonde).
Impiego in alta fedeltà
Ancora oggi nell’ambito della riproduzione di audio musicale, nonostante le valvole siano
state soppiantate dai circuiti a semiconduttore, vengono prodotti amplificatori a tubi per
l’impiego nella riproduzione musicale ad alto livello di fedeltà. Queste apparecchiature,
caratterizzate dall’essere pesanti, costose ed ingombranti, sono però contraddistinte da una
grande morbidezza del suono e da un’assoluta fedeltà, in maniera tale che le caratteristiche
fisiche del suono originario siano conservate con elevata precisione nel suono riprodotto,
per rendere più gradevole l’ascolto. Anche nel campo della strumentazione musicale
(chitarra e basso) l’uso dei tubi in condizioni di saturazione permette ai musicisti la
sperimentazione di nuove tonalità di suono.
Amplificatori valvolari
Dal raddrizzatore a baffo di …
Introdotto da Ferdinand Braun nel 1874, il rilevatore «a baffo di gatto» può essere
considerato:

l’antesignano dei raddrizzatori a semiconduttori «a punta di contatto», inventati
nei laboratori Bell dopo tre quarti di secolo;

utile per la rivelazione di radio-onde, sostituito poco dopo dalle valvole
termoioniche, soppiantato definitivamente dalle più affidabili giunzioni P-N, ma di
certo il primo dispositivo a stato solido.
… al CAT’S-WHISKER DETECTOR
Dall’immagine proposta si evidenzia che il filo del dispositivo, toccando la
superficie del cristallo, forma una primitiva ed instabile giunzione a punta di
contatto metallo – semiconduttore. Questa giunzione conduce corrente elettrica
in una sola direzione e si oppone allo scorrere della stessa nella direzione
opposta. Nella primissima versione la giunzione, venne realizzata con un sistema
in grado di regolare la pressione della punta sul cristallo prima di ogni utilizzo.
Infatti il filo, sospeso veniva sostenuto da un braccio mobile, per spostarlo sulla
faccia del cristallo fino a quando il dispositivo iniziava a funzionare.
I primi esperimenti con i dispositivi allo
stato solido
È Jagadish Chandra Bose, scienziato e inventore
nato nel 1858 in Bengala, che dal 1894 al
1900 conduce una serie di esperimenti sulla
propagazione delle onde elettromagnetiche e
sull’utilizzo di un minerale, detto galena o solfuro
di piombo, utilizzato per la rivelazione delle onde
radio. A lui si devono i primi esperimenti di
trasmissione delle onde elettromagnetiche.
Le applicazioni
La radio a galena
A partire dai primi anni del ‘900 la comunicazione si avvale dell’ausilio delle prime
apparecchiature radio. Il primo modello è la radio a galena, nota anche come la
radio «dei poveri», che consente la ricezione delle onde radiofoniche e permette a
tutti di ascoltare direttamente le voci e i suoni provenienti dal cielo. Il suo
primissimo uso pratico mira a ricevere radiosegnali in codice Morse, trasmessi da
pionieristici radioamatori con potenti trasmettitori a scintilla. Si costituisce di:
•
una semplice cuffia telefonica;
•
un pezzo di filo per antenna;
•
un rilevatore a «baffo di gatto».
l cervello del ricevitore è il rivelatore a cristallo, che ha il compito di estrarre le
informazioni contenute nel segnale in alta frequenza della trasmissione
radiotelegrafica o radiofonica, trasformandole in oscillazioni a bassa frequenza
udibili.
Si tratta comunque di un dispositivo tecnologicamente semplice nella ricezione dei
segnali in un’epoca in cui l’industria radiofonica è ancora allo stato embrionale.
Alcune curiosità
Secondo alcuni storici, nell’autunno del 1920 iniziano le prime trasmissioni radiofoniche
a scopi commerciali.
A Pittsburgh (Pennsylvania), la stazione radio KDKA di proprietà Westinghouse riceve
la licenza dall’United States Departement of Commerce, appena in tempo per
trasmettere le notizie relative alle elezioni presidenziali negli Stati Uniti del 1920. Oltre
alla cronaca di eventi speciali, diventa un vero sevizio di pubblica utilità perché si
occupa di diffondere utili informazioni per la comunità come, ad esempio, la diffusione
delle quotazioni dei prodotti agricoli. La radiofonia commerciale fa il primo passo.
Nel 1921, i ricevitori radio vengono prodotti industrialmente, ma sono ancora costosi e
in alternativa si possono utilizzare quelli a galena.
Alcuni elementi dei ricevitori, come le bobine per la sintonia, vengono autocostruiti
utilizzando oggetti di uso comune.
La società dei consumi
1950-1973: il «miracolo economico»
Terminata, grazie agli aiuti americani, la ricostruzione dei Paesi devastati
dalla guerra, a partire dal 1950 prende il via una fase di espansione
economica senza precedenti nella storia dell’umanità, che durerà sino al
1973.
Lo sviluppo dell’elettronica e dell’informatica permette di rivoluzionare il
modo di produrre e lavorare:
 la meccanizzazione inizia a cedere il passo all’automazione, cioè alla
sostituzione del lavoro umano con sistemi di macchine in ogni fase del
processo produttivo.
Il transistor
L’intuizione di Julius Edgar
Lilienfeld

A questo fisico ed ingegnere, nato nel 1882 in Austria e operante negli Stati Uniti sin
dal 1920, va dato il merito di aver effettuato studi e registrato i relativi brevetti sui
transistor a effetto di campo e sui condensatori elettrolitici tra il 1925 e il 1931.

E’ del 1925 infatti il brevetto relativo ad un apparato utile al controllo della corrente
elettrica, progenitore del MOSFET.

Del 1928 è invece il brevetto di un sistema amplificatore per correnti elettriche allo
stato solido, in cui la corrente veniva controllata utilizzando particolari metalli porosi.
I brevetti descrivono in dettaglio i metodi per ottenere il transistor con una
struttura a film sottile. Il solfuro di rame è indicato come il <composto> o film
semiconduttore nel primo brevetto, con cui il MESFET è realizzato con lo
schiacciamento di un foglio di alluminio tra due bordi di una piccola lastrina di
vetro su cui il film di rame viene depositato e solforato. Solfuro di rame, ossido
di rame e diossido di piombo sono specificamente menzionati nel secondo
brevetto, come possibili candidati per il composto di film a semiconduttori.
Lilienfeld, quindi, senza saperlo, introduce quelli che diversi anni dopo saranno
riconosciuti come semiconduttori di tipo-p ed n. Inoltre, pur non potendo ancora
conoscere i reali meccanismi alla base del funzionamento di tali materiali,
intuisce il concetto della modulazione di conducibilità attraverso il campo
elettrico trasversale, citato nella descrizione dei dispositivi brevettati
ET FIAT TRANSISTOR …
Il 23 dicembre del 1947 in America, nasce il transistor, un dispositivo amplificatore
completamente nuovo, dalla forma antiestetica (ossia un intreccio di piastre e fili
montato su un supporto di plexiglas) e risultato di una lunga ricerca presso il Bell
Laboratories da Shockley, Bardeen e Brattain, vincitori del premio Nobel nel 1956.
Il primo transistor è un diretto discendente del diodo semiconduttore a punta di
contatto, consistente in una piastrina di germanio, detta base, a una faccia della quale
è connesso un elettrodo, mentre sull’altra sono poggiati altri due sottili elettrodi a punta,
l’emettitore e il collettore. In questo modo si hanno due punti di contatto, quello tra base
ed emettitore e quello tra base e collettore.
Le applicazioni
La radio a transistor
Nel novembre del 1954 viene commercializzato la prima radio a transistor, che
imprime allo sviluppo tecnologico un’accelerazione mai vista nemmeno durante la
Seconda Rivoluzione Industriale o la nascita della radio stessa.
Dai “tascabili” ai “portatili”
Le radioline a transistor o “tascabili” sono:

scatolette di plastica abbellite da qualche fregio cromato e racchiuse in una custodia in
cuoio in grado di sintonizzarsi con precisione su tante stazioni.
Successivamente arrivano i ricevitori portatili, con mobiletto in legno rivestito da una
tela plastificata o vinilpelle, sono provvisti di:

antenna telescopica e maniglia per il trasporto;

pile a lunga durata;

un altoparlante di grande diametro per un suono di alta qualità.
Ha inizio una “guerra” tra i transistor e le valvole che durerà per oltre un decennio. La
nuova tecnologia ruberà terreno alla vecchia, fino a renderla obsoleta e inutile.
L’avventura della Regency Tr-1
Le caratteristiche dei primi transistor e la loro affidabilità lasciano molto a
desiderare. L’unica tra le grandi industrie a lavorare seriamente ad un’applicazione
che favorisce un lancio commerciale è la Texas Instruments, azienda leader nel
settore dei semiconduttori. I prototipi, però, denotano alcuni problemi dovuti all’alta
variabilità delle caratteristiche di ciascuno elemento. È l’idea dell’ingegnere Dick
Koch a superare le difficoltà della TI:

il montaggio dei vari componenti viene fatto direttamente sulla piastrina e il
numero dei transistor ridotto da sei a quattro; i componenti vengono miniaturizzati
tanto da essere contenuti in una custodia delle dimensioni di 8x12 cm.
Il successo commerciale è immediato. La TR-1 resta per lungo tempo l’unica radio
da taschino. Nell’agosto del 1955, viene prodotto un nuovo modello, il TR-55,
utilizzando per la prima volta il marchio SONY. Seguono il TR-63 ed il TR-610,
tipico esempio di radio a transistor tascabile.
Radio «strategica»: i misteriosi Cd-Marks
Durante gli anni della “guerra fredda” tra USA e URSS, si assiste ad una
frenetica corsa agli armamenti, dei quali i più temuti sono i missili a testata
nucleare. Si adopera infatti una sofisticata strumentazione in grado non solo di
guidare un missile sul bersaglio, ma anche di individuare le frequenze radio di
stazioni radio-televisive disseminate in territorio nemico.
Si decide quindi di adottare uno schema di «difesa civile», il CONELRAD , che
utilizza due frequenze di emergenza sulla banda delle onde medie: 640 e 1240
Hz. In caso di attacco sovietico, così, tutte le radio commerciali sono tenute a
interrompere le trasmissioni regolari utilizzando solo le due frequenze di
emergenza, contrassegnate sull’apparecchio radio sotto forma di due piccoli
triangoli, i CD MARKS.
Il Computer …
«Dalla messa a punto dei primi calcolatori elettronici negli Stati Uniti nel1945 agli inizi
degli anni ‘70, tre generazioni di computer si sono susseguite: a valvola, poi, a
partire dal 1959, a transistor e, dal 1969, a circuiti integrati […] All’inizio degli anni
‘70, la comparsa dei microprocessori ha consentito la costruzione dei computer
della quarta generazione, più potenti e più rapidi […] Dalla metà degli anni ‘80 si
sono sviluppati i “sistemi aperti” che, a partire da una base di conoscenze, sono
capaci di simulare, in parte, il ragionamento umano».
Gauthier, 1998
Il circuito integrato
Cos’è un circuito integrato?
Un circuito integrato o IC (integrated circuit), detto anche CHIP, è un dispositivo
elettronico nel quale gli elementi attivi (transistor, diodi, ecc.) e gli elementi
passivi (resistori, condensatori,ecc.) sono contenuti all’interno di una singola
piastrina di materiale semiconduttore.
12 SETTEMBRE 1958
Nascita del circuito integrato
Jack Kilby (Jefferson city, 08/11/1923 - Dallas, 20/06/2005)
Nell’estate del 1958 , il giovane
scienziato Jack Kilby è
appena stato assunto in Texas
Instrument. Non potendo
usufruire delle due settimane
di ferie come i suoi colleghi, decide di usare i laboratori ormai deserti per lavorare
e sperimentare la sua idea.
Riesce a far stare un piccolo circuito, composto da un transistor e pochi altri
componenti, in una piastrina di germanio dalle dimensioni ridotte.
Il 12 Settembre 1958 Jack kilby dimostra che la sua invenzione può generare un
segnale sinusoidale . Nasce così il primo circuito integrato.
Nel 2000 gli viene conferito il premio Nobel per la Fisica.
Alcuni mesi dopo, Robert Noyce, cofondatore della
Fairchild Semiconductor(1957) e dell’ Intel (1968),
presenta una invenzione analoga. Riesce ad immettere
un piccolo circuito su una piastrina di silicio.
Nel 1978 lo scienziato riceve una medaglia d’onore per
il contributo ai circuiti integrati di silicio.
Robert Noyce (BURLINGTON
12/12 /1927; AUSTIN03/06/1990)
Conosciamo meglio i circuiti integrati
Nel circuito integrato si possono inserire facilmente transistor, come anche piccole
resistenze e condensatori. Questi ultimi però occupano molto spazio sul chip, quindi,
quando possibile, vengono sostituiti con reti di transistor.
Esiste la possibilità di inserire anche induttori o trasformatori, ma il valore delle
induttanze ottenibili è molto piccolo.
I circuiti integrati si dividono in due categorie principali:

digitali;

analogici.
Il circuito integrato
analogico
I primi IC analogici sono circuiti di amplificatori
operazionali, amplificatori a bassa frequenza e circuiti
oscillatori.
Successivamente
saranno
costruiti
amplificatori audio di potenza, alimentatori, timer ed
altro, integrando circuiti sempre più complessi.
Il circuito integrato digitale
I primi IC digitali integrano transistor e resistenze su
semiconduttore
per
le
polarizzazioni
interne.
Successivamente, le resistenze vengono sostituite
con diodi ottenendo circuiti di tipo DTL (Diode
Transistor Logic). Nel 1970 i diodi sono sostituiti con i
transtistor. I circuiti integrati si dividono ulteriormente
in BJT e CMOS se usano transistor MOSFET.
1971: inizia l’era dell’elettronica
programmabile
La nascita dei primi circuiti integrati programmabili risale ai primi anni Settanta,
quando le schede elettroniche diventano molto complesse e l’utilizzo dei soli classici
circuiti integrati è proibitivo per le dimensioni e i consumi.
Nello stesso periodo si assiste alla comparsa dell’Intel 4004, anche per merito del
fisico italiano Federico Faggin , il primo microprocessore di uso generale a 4 bit,
prodotto per realizzare calcolatrici da tavolo .
Ha inizio così l’era dell’elettronica digitale programmabile a cui seguirà la nascita del
microcontrollore .
Le memorie programmabili
Le memorie programmabili si dividono in due categorie :

memorie volatili (RAM);

memorie non volatili (ROM, PROM, EPROM, EEPROM e le Flash EEPROM).
Memorie non volatili
Le memorie non volatili si differenziano per le caratteristiche costruttive e per il modo
di programmazione, ovvero per come vengono scritti i dati. Sono:
 ROM: memorie
non programmabili dall’utente utilizzate per realizzare
decodifiche veloci e per contenere programmi non modificabili.
 PROM: introdotte per superare le limitazioni delle ROM, possono essere
programmabili dall’utente una sola volta.
 EPROM: sono programmabili , cancellabili e riprogrammabili.
 EEPROM: simili alle EPROM, con la sola differenza che sono cancellabili
elettricamente senza far ricorso ai raggi ultravioletti.
 FLASH: simili alle EEPROM, ma hanno tempi di cancellazione e scrittura più
rapida.
Diversamente, le memorie volatili (le RAM) possono essere scritte e lette in
continuazione; quando è tolta l’alimentazione perdono il loro contenuto.
Scale di integrazione
Il grado di integrazione di un circuito integrato dà un’indicazione della sua complessità,
indicando grosso modo quanti transistor sono contenuti in esso. Per i circuiti digitali la
densità di integrazione , si determina in relazione al numero di porte logiche integrate
sullo stesso chip e di operazioni logiche elementari eseguibili.
Denominazione scala
Numero di
transistor
Anno
Applicazioni
SSI (Small Scale of Integration)
<100
1960
Porte logiche
MSI (Medium Scale of Integration)
<1000
Fine 60
Multiplexer e decoder
LSI (Large Scale of Integration)
<10.000
1970
Memorie e processori
VLSI (Very Large Scale of Integration)
<100.000
1980
Processori
ULSI (Ultra Large Scale of Integration)
>100.000
1990
Moderni processori
WSI (Wafer Scale of Integration ),
Realizzazione di circuiti completi su semiconduttore
L’incremento nel tempo del numero di componenti integrati su un chip segue la legge di
Moore
Legge di Moore
La legge di Moore è una legge empirica emanata nel 1965. Descrive la velocità di
evoluzione dei componenti microelettronici ed afferma che il numero di transistor per
chip raddoppia in un tempo che dagli anni Ottanta è di circa 18 mesi, mentre ai
nostri giorni questo incremento avviene circa ogni 3 anni.
Al limite di implementazione, che si raggiungerà presumibilmente tra circa 10 anni,
verrà in nostro aiuto l’uso di nuove tecnologie e materiali come il grafene che, dalle
prime sperimentazioni effettuate, ha portato a nuovi sorprendenti risultati.
Conclusioni
Da quanto esposto si evidenzia che il meccanismo innescatosi con le prime
sperimentazioni nel campo elettronico, non ha avuto soste sia per la realizzazione di
nuovi componenti sempre più piccoli e complessi, sia per le applicazioni degli stessi nei
campi più disparati.
Cosa ci riserva il futuro non lo possiamo prevedere, la storia delle invenzioni ha dimostrato
infatti che una intuizione può modificare radicalmente la società e le condizioni di vita
dell'uomo, a volte anche negativamente , visto che spesso molte scoperte sono scaturite
da necessità di tipo bellico. L'evoluzione, come è noto, non conosce limiti l'uomo ne è
l'artefice e se ne assume oneri ed onori!
Un po’ di English
From vacuum tubes to transistors
1907 : The problem
In 1906, the American inventor Lee De Forest developed a triode in a vacuum tube. It
was a device that could amplify signals, and perhaps signals on telephone lines. AT&T
bought De Forest's patent and vastly improved the tube. It allowed the signal to be
amplified regularly along the line, meaning that a telephone conversation could go on
across any distance as long as there were amplifiers along the way.But the vacuum
tubes that made that amplification possible were extremely unreliable, used too much
power and produced too much heat.
In the 1930s, Bell Lab's director of research, Mervin Kelly, recognized that a better
device was needed for the telephone business to continue to grow. He felt that the
answer might lie in a strange class of materials called semiconductors.
Vacuum tubes of different kinds
1945: The solution
After the end of World War II, Kelly put together a team of scientists to develop a
solid-state semiconductor switch to replace the problematic vacuum tube. The team
would use some of the advances in semiconductor research during the war that had
made radar possible.
A young, brilliant theoretician, Bill Shockley (William Bradford Shockley), was
selected as the team leader.Shockley filled out his team with a mix of physicists,
chemists and engineers. In the spring of 1945, Shockley designed what he hoped
would be the first semiconductor amplifier, relying on something called the “field
effect”. His device didn't work.
Radar during World War II
During World War II, battles were won by the side that was first
to spot enemy airplanes, ships, or submarines. To give the Allies
an edge, British and American scientists developed radar
technology to "see" for hundreds of miles, even at night. The
rectifier's job was to translate the reflected signal into the direct
current necessary for visualization on the screen. These crystals
often couldn't handle the quickness and intensity of a rapidly
changing radar signal. They would burn out frequently.
Seymour Benzer found that germanium crystals made the best
detectors. (Germanium was used to make the first working
transistor
five
years
later.)
Scientists
also
learned
techniques on how best to grow and dope the crystals.
new
Seymour Benzer
(Oct. 15, 1921 – Nov.
30, 2007)
August 1945
As World War II came to a close Bell's president, Mervin Kelly, suspected that
solid state science might provide a new kind of amplifier to replace the vacuum
tube in AT&T's phone system. The tubes amplified voice signals as they traveled
through the phone wires, but they were reaching the limits of their potential. A solid
state amplifier, sturdier and more efficient than a vacuum tube, might have other
uses as well. Among the most likely customers was the US military. As the cold
war got underway, military agencies invested lavish funding into any kind of
research that might prove useful in the long run. Kelly knew that his solid state
group could help his company, and would probably have a guaranteed military
client down the road.William Shockley and chemist Stanley Morgan were placed in
charge of the new group.
Shockley ran a subdivision within the larger group that focused on semiconductor
research.They spent lots of time in front of the blackboard, discussing their work
and exchanging ideas.
The invention of the first transistor
November 17 – December 23, 1947
On November 17, 1947, Walter Brattain dumped his whole experiment into a thermos of
water.
The silicon contraption he had built was supposed to help him study how electrons acted
on the surface of a semiconductor but condensation kept forming on the silicon and
messing up the experiment. To get rid of that condensation, Brattain dumped the whole
experiment under water.
Out of the blue, the wet device created the largest amplification he had seen so far.
Putting the idea to use
On November 21, Bardeen suggested pushing a metal point
into the silicon surrounded by distilled water. The tough part
was that the contact point couldn't touch the water, it must
only touch the silicon. Brattain could build this amplifier and it
worked. Of course, there was only a tiny bit of amplification –
but it worked.
Once they had gotten slight amplification with that tiny drop of
water, Bardeen and Brattain, by using different materials tried
to get an even bigger increase in current. Then on December
8, Bardeen suggested to replace the silicon with germanium.
They got an amplification of some 330 times, but in the exact
opposite direction .
Brittain makes a mistake
Unfortunately this giant jump in amplification only worked for certain types of current ones
with very low frequencies. That wouldn't work for a phone line, which has to handle all the
complex frequencies of a person's voice. So the next step was to get it to work at all kinds
of frequencies.
Bardeen and Brattain, by putting the point of the triangle gently down on the germanium,
saw a fantastic effect: signal came in through one gold contact . The first point-contact
transistor had been made.
After the rest of the lab had a chance to look it over and conduct a few tests, it was
official: this tiny bit of germanium, plastic and gold was the first working solid state
amplifier.
January and February 1948
One of Shockley's ideas was
semiconductor
Shockley told no
“sandwich”. On January 23,
one about his idea.
to
build
a
Shockley had a revelation. He
had an idea for an improved
transistor.
This
would
be
three-layered sandwich. The
outermost pieces would be
semiconductors
with
too
many electrons, while the bit
in the middle would have too
few electrons.
Shockley wanted to
test
it
before
discussing it short
description
before
using bullet points
helps to keep your
audience engaged.
The Eureka moment
Then, on February 18, when Joseph Becker and John Shive
presented their findings to the group, Shockley knew he had
the proof he needed. He jumped up and for the first time
shared his concept of a sandwich transistor to the rest of his
team. Bardeen and Brattain were stunned that they hadn't
been informed before. It was clear that Shockley had been
keeping this secret for weeks.
June 23, 1949
But before telling the public, they had to check with
the military. At the very least, the transistor could
revolutionize communications and radio signals,
something that would give the US Army an
advantage if the invention was kept a secret from
other countries. Bell's president, Mervin Kelly, hoped
the army wouldn't want to classify this research, but
he knew it just might happen. On June 23, Ralph
Bown gave a presentation to a group of military
officers. He showed the way the tiny bit of crystal
Ralph Bown (1891 – July 1971)
and wire could amplify an electrical signal much
more efficiently than a bulky vacuum tube could.
1958: Invention of the Integrated Circuit
Transistors had become commonplace in
everything
from
radios
to
phones
to
computers, and now manufacturers wanted
something even better.
Transistors were smaller than vacuum tubes,
but for some of the newest electronics, they
weren't small enough.
But scientists wanted to make a whole circuit:
the transistors, the wires, everything else they
needed in a single blow. If they could create a
miniature circuit in just one step, all the parts
could be made much smaller.
One day in late July, Jack Kilby was sitting alone at
Texas Instruments. It suddenly occurred to him that
all parts of a circuit, not just the transistor, could be
made out of silicon. At the time, nobody was
making
capacitors
or
resistors
out
of
semiconductors. If it could be done then the entire
circuit could be built out of a single crystal, making
it smaller and much easier to produce. Kilby's boss
liked the idea, and told him to get to work.By
September 12, Kilby had built a working model, and
on February 6, Texas Instruments filed a patent.
Their first "Solid Circuit" the size of a pencil point,
was shown off for the first time in March.
THE END
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