Principi base dei transistor: NPN e PNP con 2N3904, 2N3906, 2N2222 e 2N2907

Sembra incredibile, ma il primo transistor operativo fu annunciato 70 anni fa, il 23 dicembre 1947!¹ Il transistor è probabilmente uno dei componenti più rivoluzionari mai inventati. Ha aperto la strada alla creazione di circuiti integrati, microprocessori e la memoria dei computer.

In questo articolo, prenderemo in esame i seguenti temi:

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• Cos'è un transistor?
• Come funziona un transistor?
• Scegliere un transistor per la propria applicazione
• Esempi di circuiti a transistor
• La storia dell'invenzione del transistor
• Link di riferimento per ulteriori approfondimenti

Cos'è un transistor?

Uno dei due tipi di transistor, noto anche come BJT (Bipolar Junction Transistor, transistor a giunzione bipolare), è un dispositivo a semiconduttore pilotato dalla corrente che può essere utilizzato per controllare un flusso di corrente elettrica in cui una piccola quantità di corrente nel conduttore della base controlla una corrente più grande tra collettore ed emettitore. Possono essere usati per amplificare un segnale debole, come un oscillatore o come un interruttore.

Solitamente sono realizzati in cristallo di silicio dove gli strati di semiconduttori di tipo N e P sono inseriti a sandwich. Vedere la Figura 1 sotto riportata.

Figura 1: La figura 1 mostra un 2N3904 TO-92 in sezione in cui sono in evidenza i terminali E - emettitore, B - base e C – collettore fissati nel silicio. La figura 1b è tratta da Radio-Electronics Magazine² del maggio 1958. Illustra le fette di strati tipo N e P e le disposizioni (al tempo, il materiale era il germanio).

I transistor sono sigillati ermeticamente e incapsulati in un contenitore di plastica o metallo con tre conduttori di terminazione (Figura 2).

Figura 2: Confronto di dimensioni e di vari tipi dei più diffusi contenitori.

Come funziona un transistor?

Come esempio, mostreremo come funziona un transistor NPN. Un modo semplice per immaginare la sua funzione di interruttore è pensare all'acqua che scorre attraverso un tubo controllato da una valvola. La pressione dell'acqua rappresenta la "Tensione" e l'acqua che scorre attraverso il tubo è la "Corrente" (Figura 3). I tubi grandi rappresentano la giunzione collettore/emettitore con una valvola intermedia, rappresentata nella figura come un ovale grigio, una membrana mobile azionata dalla corrente proveniente da un piccolo tubo che rappresenta la base. La valvola intercetta la pressione dell'acqua che fluisce dal collettore all'emettitore. Quando l'acqua scorre attraverso il tubo più piccolo (la base), apre la valvola tra la giunzione collettore/emettitore, consentendo all'acqua di fluire attraverso l'emettitore e a terra (la terra rappresenta il ritorno per tutta l'acqua o tensione/corrente).

Figura 3: Questa rappresentazione grafica illustra come funziona un transistor. Quando l'acqua scorre attraverso il tubo più piccolo (base), apre la valvola tra la giunzione collettore/emettitore, consentendo all'acqua di fluire attraverso l'emettitore a terra.

Scegliere un transistor per la propria applicazione

Se si desidera semplicemente attivare un circuito o un carico, ci sono alcune cose che occorre prendere in considerazione. Stabilire se si vuole polarizzare o energizzare il transistor con una corrente positiva o negativa (ossia, rispettivamente tipo NPN o PNP). Un transistor NPN viene pilotato (o acceso) tramite corrente positiva polarizzata alla base per controllare il flusso di corrente dal collettore all'emettitore. I transistor di tipo PNP sono pilotati da una corrente negativa polarizzata alla base per controllare il flusso dall'emettitore al collettore. (Notare che la polarità per PNP è invertita rispetto a NPN.) Per ulteriori dettagli, vedere la Figura 4.

Figura 4: Simboli schematici per ogni tipo di transistor.

Dopo aver determinato la tensione di polarizzazione, la successiva variabile necessaria è la quantità di tensione e corrente richieste per il funzionamento del carico. Questi saranno i valori minimi di tensione e corrente del transistor. Le tabelle 1 e 2 seguenti mostrano alcuni transistor comuni e le specifiche salienti, compresi i loro limiti di tensione e corrente.

Transistor, NPN e PNP, con conduttori e a montaggio superficiale

Tabella 1. Transistor NPN e PNP con conduttori e a montaggio superficiale di grande diffusione.

Transistor, NPN e PNP, contenitori metallici

Tabella 2. Transistor NPN e PNP con contenitore metallico di grande diffusione.

Esempi di circuiti a transistor

La Figura 5 mostra un esempio di circuito che attiva la giunzione collettore-emettitore energizzando la base, o polarizzando il transistor per accenderlo, portando 5 volt alla base tramite un interruttore a scorrimento. Qui si accende un LED che è il carico di questo esempio. Quando si polarizza la base, è necessario l'uso corretto dei resistori per prevenire il sovraccarico di corrente. Per testare il mio circuito di esempio, ho usato componenti con conduttori in una breadboard. Per l'impiego di transistor in applicazioni commerciali, la maggior parte degli ingegneri utilizzerà componenti a montaggio superficiale (molto più piccoli rispetto ai contenitori TO-92). Ecco un link che mostra le varie dimensioni dei contenitori per i transistor 3904.

Dato che 2N3904 è un transistor NPN, la base richiede una polarizzazione positiva (livelli di tensione e resistenza appropriati) per attivare la giunzione collettore/emettitore per il corretto flusso di corrente. Anche l'uso di un resistore di carico (R1) è importante per evitare un eccesso di corrente condotta attraverso il LED e il transistor. Per ulteriori informazioni su questo transistor, vedere la scheda tecnica 2N3904.

Figura 5: Esempio di circuito 2N3904 per accendere un LED con un interruttore a scorrimento EG1218; sono indicati i pin C (collettore), E (emettitore) e B (base) (immagine tratta da Scheme-it).

La figura 6 è un esempio di circuito di luce notturna che utilizza un transistor PNP. Per vedere i dettagli di questo circuito, visitare il sito wiki (eewiki) di DigiKey e cercare PNP Night Light.

Figura 6: Esempio di un circuito di luce notturna 2N3906 per accendere un LED con una fotocellula PDV-P5003 (Immagine tratta da Scheme-it)

La storia dell'invenzione del transistor

Come è iniziato tutto? La storia è lunga e inizia dall'invenzione del telefono. Il dibattito è vivace su chi ha veramente inventato il primo prototipo elettrico funzionante; tuttavia, il primo brevetto è stato ottenuto il 7 marzo 1876³ da Alexander Graham Bell, che in seguito fondò l'American Telephone and Telegraph (AT&T). Il brevetto di Bell scadde attorno al 1894¹. Sebbene AT&T avesse dominato il mercato telefonico fino ai primi anni del 1900, nacquero altre società che si accaparrarono molti loro clienti. Per questo motivo, la società sentì il bisogno di continuare ad essere leader e ad espandere il proprio mercato. Nel 1909, il presidente di AT&T Theodore Vail¹ pensò di trasmettere telefonate transcontinentali (da New York alla California). Ma per far ciò aveva bisogno di buoni amplificatori o di ripetitori per potenziare i segnali sulle lunghe distanze. Precedentemente, nel 1906, Lee De Forest aveva preso un'idea di John A. Fleming (che si era avvalso di un lavoro di Thomas Edison, creando un dispositivo a valvola sottovuoto, chiamato diodo termoionico a oscillazione, usato per rilevare le onde radio). Forest lo modificò per creare il triodo: un tubo a vuoto a 3 terminali, inefficiente, che poteva essere utilizzato come amplificatore. Nel 1912 Forest fu invitato da Harold Arnold di Western Electric (fornitore di AT&T) per mostrare la sua invenzione. Ma il triodo di Forest funzionava a basse tensioni, mentre Arnold aveva bisogno di tensioni più elevate per rendere efficaci i ripetitori per la trasmissione della voce su lunghe distanze. Arnold credeva di poter creare un triodo migliore e così assunse degli scienziati per capire come funzionava il dispositivo e come avrebbe potuto migliorarlo. Il successo si presentò nell'ottobre del 1913. Subito dopo, le linee telefoniche vennero installate ovunque. Gli investimenti fatti da AT&T nel corso degli anni sui migliori scienziati, convinsero la società che fare ricerche approfondite avrebbe dato loro un vantaggio competitivo rispetto alla concorrenza e così nel 1925 fu costituita la società "Bell Telephone Laboratories".

Per mantenere attive le linee telefoniche erano necessarie molte migliaia di valvole termoioniche e relè. Tuttavia, le valvole termoioniche richiedevano molta energia, erano grandi e bruciavano frequentemente. Basandosi sugli sviluppi tecnologici raggiunti durante la seconda guerra mondiale relativamente a un raddrizzatore a cristallo utilizzato per il funzionamento dei radar, Mervin Kelly, direttore della ricerca di Bell, suppose che i semiconduttori (dispositivi a stato solido) potessero essere la risposta giusta per la creazione di un dispositivo che avrebbe potuto rimpiazzare le costose e inaffidabili valvole termoioniche. Kelly si rivolse a uno dei loro brillanti fisici, William Shockley, per spiegargli la sua visione per migliorare i componenti usati per trasportare la voce sui fili. Kelly espresse il suo sogno: vedere il giorno in cui i rumorosi relè meccanici e le valvole termoioniche affamate di energia sarebbero state sostituite da dispositivi elettronici a stato solido. Shockley ne rimase impressionato e tale sogno diventò il suo obiettivo principale. Kelly incaricò Shockley di trovare una soluzione.

Era un teorico brillante ma non altrettanto brillante nel trasformare le sue idee in oggetti tangibili. Shockley aveva fatto diversi tentativi per realizzare la sua idea di trasferimento di elettroni con l'effetto di campo per collegare due lati di un semiconduttore energizzando una piastra sopra i semiconduttori. Ma senza successo. Frustrato, si rivolse ad altri due fisici nei laboratori Bell, John Bardeen (geniale con la teoria degli elettroni nei semiconduttori) e Walter Brattain (ottimo con prototipi e uso delle attrezzature di laboratorio). Formarono un team. Shockley lasciò che il doppio team lavorasse in autonomia. Nel corso degli anni, furono compiuti molti tentativi di far funzionare l'effetto di campo, ma senza risultati. Riesaminarono i calcoli e in teoria la cosa avrebbe dovuto funzionare. Pensando fuori dagli schemi, Bardeen e Brattain fecero degli esperimenti con delle sottili fette di silicio e germanio cercando di ottenere l'effetto di campo. Nell'autunno del 1947 ci fu un segnale di progresso mentre Brattain stava avendo problemi con la condensazione dell'acqua sulla superficie del semiconduttore. Invece di asciugarla, mise una goccia d'acqua sopra il silicio, eccitò la piastra sopra di esso e notò un effetto amplificante. La goccia d'acqua aiutava a superare la barriera superficiale e contribuiva a creare il flusso di elettroni, ma l'effetto era instabile e non in grado di amplificare in modo pulito i segnali necessari per trasmettere con successo la voce.

Nel dicembre del 1947 (poi citato come il mese del miracolo) pensarono di eliminare lo spazio dell'effetto di campo, rimuovendo l'acqua e creando un contatto dorato per toccare il semiconduttore. Passarono al germanio, che era più facile da lavorare al tempo, e lo isolarono con un sottile film di ossido che si forma naturalmente sul germanio. Eseguirono molti test che risultarono però fallimentari. Poi a metà dicembre, apparentemente per caso, Walter Brattain lavò via inavvertitamente il rivestimento di ossido, ottenendo un contatto dorato diretto sul germanio! Tombola! Aveva scoperto una buona amplificazione e il transistor era funzionante. Invece di far attrarre gli elettroni alla superficie del semiconduttore come teorizzato dall'idea di effetto di campo di Shockley, Brattain e Bardeen avevano scoperto che, toccando il semiconduttore con un contatto dorato, iniettavano fori nel semiconduttore, consentendo all'elettricità di fluire. Verso la metà di dicembre del 1947, all'insaputa di Shockley, iniziarono a creare un prototipo operativo. Brattain mise insieme un apparecchio a forma di triangolo di plastica con una lamina d'oro lungo i bordi inclinati e praticò una fenditura sottile come un rasoio nella punta triangolare. Si trattava di un prototipo veramente grossolano. Usarono una graffetta trasformata in una molla per premere il triangolo nel semiconduttore di germanio sottile, sopra una sottile lastra di rame, dove c'erano due fili, uno su ciascuna estremità del triangolo. La lastra di rame sotto la fetta di germanio serviva da 3^o terminale, per così dire (Figura 7). Era nato il transistor a punto di contatto.

Brattain e Bardeen chiamarono Shockley per comunicargli la buona notizia. Da quello che ho letto, si dice che Shockley ha abbia provato emozioni contrastanti, felice che fosse funzionante, ma deluso per non averlo creato lui direttamente. La dimostrazione ai superiori di Shockley venne tenuta una settimana dopo la scoperta, il 23 dicembre 1947 (fu annunciata pubblicamente il 30 giugno 1948). Successivamente, fu scattata una foto destinata alla storia (Figura 8). Shockley sapeva che il fragile transistor a punto di contatto non sarebbe stato facile da fabbricare e si arrovellava cercando di migliorarlo (da solo). Lavorò febbrilmente per cercare di risolvere il problema a modo suo, documentando i suoi pensieri sul tentativo di renderlo più integrato sovrapponendo i materiali del semiconduttore. Per completare la teoria per il deposito di un brevetto per il transistor a giunzione (presentato il 25 giugno 1948) occorse molto altro lavoro di ricerca. La dimostrazione di un transistor a giunzione funzionante n-p-n avvenne il 20 aprile 1950 (grazie al lavoro di Gordon Teal e Morgan Sparks). I dettagli di tutta questa storia sono molti di più di quanto si possa immaginare⁴.

Il 10 dicembre 1956, fu conferito il premio Nobel per l'invenzione dell'effetto transistor a William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain.

Figura 7: Transistor a punto di contatto (immagine per gentile concessione di Nokia Corporation)

Figura 8: John Bardeen (sinistra), William Shockley (centro) e Walter Brattain (destra) (Per gentile concessione di Nokia Corporation)

Riferimenti

1. Riordan, Michael and Lillian Hoddeson. 1997. Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. New York, NY: W.W. Norton & Company, Inc.
2. Ryder, R.M. 1958. "Ten years of Transistors", Radio-Electronics Magazine, maggio, pag. 35.
3. Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. 1991. "ALEXANDER GRAHAM BELL". Recuperato, 19 gennaio 2017.
4. Riordan, Michael, Lillian Hoddeson, and Conyers Herring. 1999. "The Invention of the Transistor", Modern Physics, Vol 71, No. 2: centenario.

Ulteriori informazioni sono reperibili su: http://www.pbs.org/transistor/