Il moderno transistor elettronico è un dispositivo a semiconduttore, comunemente usato per amplificare o commutare segnali elettronici. Un transistor è fatto di un pezzo solido di materiale semiconduttore, con almeno tre terminali per il collegamento ad un circuito esterno. Una tensione o una corrente applicata a una coppia di terminali del transistor, cambia la corrente che scorre attraverso un’altra coppia di terminali. Poiché la potenza controllata (uscita) può essere molto più grande della potenza di controllo (ingresso), il transistor fornisce l’amplificazione di un segnale. Il transistor è l’elemento costitutivo fondamentale dei moderni dispositivi elettronici, ed è usato in radio, telefono, computer e altri sistemi elettronici. Alcuni transistor sono confezionati singolarmente, ma la maggior parte si trova nei circuiti integrati.

Come spesso accade per molte invenzioni, il transistor è il risultato del lavoro di molti inventori, e solo l’ultimo, o il più intelligente, si prende tutta la gloria. In questo caso si tratta degli americani John Bardeen, William Shockley e Walter Brattain, che ricevettero il Premio Nobel per la Fisica nel 1956 per la loro invenzione del transistor, che è stata definita l’invenzione più importante del XX secolo

Chi fu il primo, però?

L’inizio della ricerca sui semiconduttori è segnato dal rapporto di Michael Faraday del 1833 sul coefficiente negativo di temperatura della resistenza del solfuro d’argento. Questa è la prima osservazione di qualsiasi proprietà dei semiconduttori. Nel suo documento del 1833, “Experimental Researches in Electricity” Faraday (vedi il ritratto qui vicino) divulgò questa osservazione. Questa osservazione si distingueva dalle solite proprietà dei metalli e degli elettroliti, nel cui caso la resistenza aumenta con la temperatura.

Il prossimo contributo significativo al campo dei semiconduttori è il fisico sperimentale francese Edmond Becquerel. Nel 1839, riportò l’osservazione della fototensione negli elettrodi di platino rivestiti di cloruro d’argento. Nel suo esperimento, un elettrodo di platino rivestito di AgCl era immerso in una soluzione acquosa di acido nitrico. L’illuminazione dell’elettrodo generava una fototensione che alterava il campo elettromagnetico prodotto dalla cella, infatti, produceva una fotocorrente riduttiva (catodica) all’elettrodo rivestito di AgCl; questo fu il primo dispositivo fotovoltaico riportato. La fototensione fu generata al contatto semiconduttore metallico Ag/AgCl.

Nel 1873, l’ingegnere elettrico inglese Willoughby Smith (1828-1891) (vedi il ritratto vicino) arrivò alla scoperta della fotoconduttività del selenio. Inizialmente stava lavorando con cavi sottomarini. Fece degli esperimenti con il selenio per la sua alta resistenza, che sembrava adatta alla sua telegrafia sottomarina. Vari sperimentatori misurarono la resistenza delle barre di selenio, ma la resistenza misurata da loro in diverse condizioni non era affatto d’accordo. Poi Smith scoprì che la resistenza dipendeva effettivamente dall’intensità della luce incidente. Quando le barre di selenio venivano messe dentro una scatola con il coperchio scorrevole chiuso, la resistenza era la più alta. Quando dei vetri di vari colori venivano messi in mezzo alla luce, la resistenza variava a seconda della quantità di luce che passava attraverso il vetro. Ma quando il coperchio veniva rimosso, la conduttività aumentava. Trovò anche che l’effetto non era dovuto alla variazione di temperatura.

Nel 1874, il fisico tedesco Ferdinand Braun (vedi il ritratto qui vicino), un ventiquattrenne laureato all’Università di Berlino, studiò le caratteristiche degli elettroliti e dei cristalli che conducono elettricità all’Università di Würzburg. Quando sondò un cristallo di galena (solfuro di piombo) con la punta di un sottile filo metallico, Braun notò che la corrente scorreva liberamente in una sola direzione. Aveva scoperto l’effetto di raddrizzamento nel punto di contatto tra i metalli e certi materiali cristallini.
Braun dimostrò questo dispositivo semiconduttore a un pubblico di Lipsia il 14 novembre 1876, ma non trovò alcuna applicazione utile fino all’avvento della radio nei primi anni del 1900, quando fu usato come rivelatore di segnale in un set “radio a cristallo”. Il nome descrittivo comune di rivelatore “baffi di gatto” deriva dalla sottile sonda metallica usata per fare contatto elettrico con la superficie del cristallo. Braun è meglio conosciuto per il suo sviluppo dell’oscilloscopio a tubo catodico (CRT) nel 1897, conosciuto come il “tubo di Braun” (Braunsche Röhre in tedesco). Ha condiviso il premio Nobel del 1909 con Guglielmo Marconi per i suoi contributi allo sviluppo della telegrafia senza fili, principalmente lo sviluppo di circuiti sintonizzabili per i ricevitori radio.

Il primo uomo, applicato i semiconduttori per scopi pratici, fu il polimatico bengalese Sir Jagadish Chandra Bose (1858-1937). Jagadish Chandra Bose (vedi il ritratto qui vicino) era un geniale fisico, biologo, botanico, archeologo e scrittore di fantascienza. Per ricevere la radiazione, usava una varietà di diverse giunzioni di semiconduttori metallici collegati in serie ad un galvanometro altamente sensibile. Inventò diversi dispositivi a semiconduttore, il primo dei quali fu il suo rilevatore di galena, che inventò durante il 1894-1898 e dimostrò nel Royal Institution Discourse del 1900. In questo dispositivo, una coppia di contatti puntuali (baffi di gatto), in questo caso di galena, era collegata in serie con una fonte di tensione e un galvanometro. Questo dispositivo poteva rilevare qualsiasi tipo di radiazione, onde hertziane, onde luminose e altre radiazioni. Chiamò il suo rivelatore a contatto puntiforme di galena una retina artificiale (perché con una disposizione adeguata poteva essere fatto per rilevare solo l’onda luminosa), un radiometro universale. Bose ottenne in seguito il primo brevetto al mondo per un dispositivo a semiconduttore, ovvero il rivelatore a galena. Tra gli altri suoi pionieristici ricevitori a semiconduttore a stato solido ci sono il coherer a molla a spirale e il coherer a ferro mercurio (rivelatore) con un telefono.

Tra il 1902 e il 1906, l’ingegnere elettrico della American Telephone and Telegraph Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956) (vedi il ritratto vicino) testò migliaia di campioni di minerali per valutare le loro proprietà di rettificazione. I cristalli di silicio della Westinghouse diedero alcuni dei migliori risultati. Il 20 agosto 1906, depositò un brevetto statunitense su “Means for receiving intelligent communication by electric waves” per un rilevatore di punti di contatto al silicio (diodo) e fu assegnato lo stesso novembre (vedi il brevetto statunitense 836531 di Pickard). Con due soci, Pickard fondò la Wireless Specialty Apparatus Company per commercializzare rivelatori radio a cristallo “a baffi di gatto”. Fu probabilmente la prima azienda a produrre e vendere dispositivi a semiconduttore di silicio. Un altro inventore americano, Henry Dunwoody, ricevette un brevetto su un sistema che utilizzava un rivelatore a contatto puntuale fatto di carborundum (carburo di silicio) solo alcune settimane dopo Pickard.

Nel 1915 il fisico americano Manson Benedicks scoprì che un cristallo di germanio può essere usato per convertire la corrente AC (corrente alternata) in DC (corrente continua), cioè le proprietà rettificatrici dei cristalli di germanio. Così il germanio fu aggiunto alla lista dei semiconduttori. Fino ad allora, era una lista breve composta da silicio, selenio e tellurio.

Nel 1927 gli americani L.O. Grondahl e P.H. Geiger inventarono il raddrizzatore all’ossido di rame. Il brevetto USA 1640335 fu rilasciato il 23 agosto 1927 a Grondahl.

Nel 1925 il famoso inventore Julius Lilienfeld (vedi la foto qui accanto) presentò una domanda di brevetto in Canada, l’anno successivo negli USA, descrivendo un dispositivo, molto simile ad un transistor MESFET, che chiamò allora Method and Apparatus for Controlling Electric Currents (vedi il brevetto USA 1745175 di Lilienfeld).
Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963) fu una persona notevole nel campo della fisica e dell’elettronica. L’ebreo austriaco Lilienfeld era nato a Lemberg in Austria-Ungheria (ora chiamato Lviv in Ucraina). Fu istruito (dottorato in fisica) e visse in Germania fino alla metà degli anni ’20, quando decise di emigrare negli Stati Uniti. Oltre al suddetto brevetto per il primo transistor, fu titolare di diversi altri brevetti in questo campo – brevetto statunitense 1900018 “Dispositivo per il controllo della corrente elettrica” del 1928 per un transistor MOSFET a film sottile; brevetto statunitense 1877140 “Amplificatore per correnti elettriche” del 1928, per un dispositivo allo stato solido dove il flusso di corrente è controllato da uno strato metallico poroso, una versione allo stato solido del tubo a vuoto; brevetto statunitense 2013564 “Condensatore elettrolitico” del 1931, per il primo condensatore elettrolitico. Quando Brattain, Bardeen e Shockley cercarono di ottenere un brevetto per il loro transistor, la maggior parte delle loro richieste furono respinte, in particolare a causa dei brevetti di Lilienfeld.

Nel 1934 un altro scienziato tedesco – Oskar Heil (1908-1994), ingegnere elettrico e inventore, richiese un brevetto tedesco per un primo dispositivo simile a un transistor, descrivendo la possibilità di controllare la resistenza in un materiale semiconduttore con un campo elettrico, che egli chiamò Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices. Nel 1935 Heil ricevette un brevetto britannico (vedi il vicino disegno del brevetto britannico), belga e francese per il suo dispositivo.

Nel 1939 William Shockley e Walter Brattain, ricercatori dei Bell Telephone Labs nel New Jersey fecero un tentativo senza successo di costruire un amplificatore a semiconduttore inserendo una piccola griglia di controllo in uno strato di ossido di rame. La seconda guerra mondiale mise fine ai loro esperimenti. Nel 1947 però, lo stesso Brattain, questa volta insieme a John Bardeen, inventò il transistor a contatto puntuale (vedi la foto vicina del primo transistor, fatto di germanio). William Shockley (il leader del team) non era presente all’epoca e non ricevette il merito dell’invenzione, cosa che lo fece incazzare molto. Meglio così. Il transistor a contatto puntuale era difficile da produrre e non molto affidabile. Inoltre non era il transistor che Shockley voleva, così continuò a lavorare sulla sua idea che portò al transistor a giunzione, che era più facile da produrre e funzionava meglio. Bardeen e Brattain presentarono una domanda di brevetto il 17 giugno 1948 e il brevetto fu rilasciato il 3 ottobre 1950 (vedi il brevetto).

William Shockley richiese il suo primo brevetto per il transistor a giunzione quasi nello stesso periodo-U.S. Patent 2569347 fu presentato il 26 giugno 1948 e rilasciato il 25 settembre 1951 (vedi il primo brevetto di Shockley).

John Bardeen (1908-1991), William Bradford Shockley (1910-1989) e Walter Houser Brattain (1902-1987), (vedi foto in basso) hanno condiviso il premio Nobel per la fisica nel 1956 “per le loro ricerche sui semiconduttori e la loro scoperta dell’effetto transistor”.

Bardeen (a sinistra), Shockley (al centro) e Brattain (a destra)

Come funziona un transistor?

La struttura di un transistor gli permette di funzionare come un amplificatore o un interruttore. Questo viene realizzato usando una piccola quantità di elettricità per controllare un cancello su una fornitura di elettricità molto più grande, un po’ come girare una valvola per controllare una fornitura di acqua.
I transistor sono composti da tre parti, chiamate base, collettore ed emettitore. La base è il dispositivo di controllo del cancello per l’alimentazione elettrica più grande. Il collettore è l’alimentazione elettrica più grande e l’emettitore è l’uscita per quell’alimentazione. Inviando vari livelli di corrente dalla base, la quantità di corrente che scorre attraverso il gate dal collettore può essere regolata. In questo modo, una quantità molto piccola di corrente può essere usata per controllare una grande quantità di corrente, come in un amplificatore. Lo stesso processo è utilizzato per creare il codice binario per i processori digitali, ma in questo caso è necessaria una soglia di tensione di cinque volt per aprire il gate del collettore. In questo modo, il transistor viene utilizzato come un interruttore con una funzione binaria: cinque volt-ON, meno di cinque volt-OFF.