Tutto quello che c’è da sapere su una delle componenti hardware che hanno rivoluzionato il mondo dell’elettronica.

 

Il transistor, o transistore come viene spesso definito in italiano, fu messo a punto nel secondo dopoguerra ed è diventato uno dei componenti hardware più importanti, sia in ambito elettronico sia informatico, e si tratta di un piccolo dispositivo che può svolgere due funzioni: amplificare i segnali in ingresso oppure agire da switcher.

I transistor vengono quindi impiegati come interruttori elettronici comandati e come amplificatori di segnali elettrici, sia individualmente sia a gruppi, inoltre sono anche elementi di fondamentale importanza nella costruzione dei circuiti integrati, sia i chip sia i microchip, al punto che questi ultimi devono dichiarare ufficialmente il numero di transistor al loro interno come ordine di grandezza.

 

Cenni storici

Nonostante il primo sia stato messo a punto nel 1925 dal fisico e ingegnere canadese J. Edgar Lilienfeld, è stato soltanto nel 1947 che i due ricercatori Walter Brattain e John Bardeen, dei laboratori statunitensi Bell, guidati dal fisico William Shockley realizzarono il primo prototipo funzionante di un resistore a transconduttanza battezzandolo con il termine transistor, derivato appunto dalla fusione delle parole inglesi transconductance e resistor.

Il principio di funzionamento del transistor progettato nei Bell Laboratories era analogo a quello dei tubi e delle valvole termoioniche, con la differenza che queste ultime erano dei componenti elettronici di dimensioni maggiori; l’ingombro ridotto permise di rivoluzionare completamente gli schemi strutturali delle apparecchiature elettroniche e il transistor brevettato dai Bell Laboratories, nel 1956 fruttò a Shockley, Brattain e Bardeen il premio Nobel per la Fisica “per le ricerche sui semiconduttori e per la scoperta dell’effetto transistor”.

Inizialmente i transistor trovarono applicazione soprattutto nelle apparecchiature radio ma col passare degli anni, e grazie al continuo sviluppo della tecnologia e dei materiali, ne comparvero diverse tipologie. Il ruolo chiave di questi componenti nella realizzazione dei circuiti integrati, poi, ha fatto sì che si diffondessero rapidamente sia nell’ambito dell’elettronica analogica sia in quello dell’elettronica digitale, venendo adoperati per la realizzazioni di una vasta gamma di apparecchi elettronici a partire da quelli usati per le misurazioni fino alle piattaforme hardware di prototipazione rapida Arduino, dove prendono la definizione specifica di transistor Arduino.

 

Tipi di transistor

Le tipologie più diffuse sono due: quelli a giunzione bipolare, o transistor BJT, e quelli a effetto di campo, o FET. Il primo è un tipo di transistor utilizzato sia come amplificatore sia come interruttore, ed è costituito da tre strati di un elemento semiconduttore drogato; il drogaggio ha il fine di incrementare o diminuire il numero di elettroni nel semiconduttore e questa differenza è indicata dalle lettere P e N.

La giunzione PN, quindi, è composta da due zone distinte unite tra loro: lo strato P, carente di elettroni, e lo strato N, caratterizzato dalla presenza di elettroni in eccesso; i BJT sono realizzati in modo da formare una doppia giunzione PN, quindi possono essere a loro volta di due tipi: transistor PNP e transistor NPN.

I FET, invece, raggruppano a loro volta tre diversi tipi di transistor tutti basati sul principio di funzionamento a effetto di campo: i transistor MOSFET, MESFET e JFET; a differenza dei BJT, costituiti da tre strati di giunzioni PN, i FET sono costituiti da un substrato di materiale semiconduttore collegato a quattro terminali: gate, source, drain e bulk, e cioè rispettivamente porta, sorgente, pozzo e substrato; a un esame visivo i terminali risultano essere tre però, e questo accade perché il terminale bulk, cioè quello del substrato, è fisicamente connesso al terminale source, cioè sorgente.

Nei BJT, inoltre, la conduttività elettrica è controllata mediante l’applicazione di una tensione elettrica tra i suoi terminali, mentre nei FET la conduttività elettrica è controllata mediante la formazione di un campo elettrico al suo interno e il processo di conduzione interessa solo gli elementi portatori di carica maggioritari, ragion per cui questo tipo di transistor è definito unipolare.

 

MOSFET funzionamento

L’acronimo MOSFET è derivato dai termini inglesi Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, che tradotti in italiano significano Semiconduttore Metallo-Ossido Transistor a Effetto di Campo, noto comunemente come transistor MOS.

Questa sigla indica quindi un particolare tipo di transistor a effetto di campo composto da un substrato di materiale semiconduttore, solitamente silicio, drogato in modo univoco, cioè o di tipo P o di tipo N; di conseguenza i MOS possono essere indicati anche come pMOS o nMOS, in modo da distinguere la natura del drogaggio del semiconduttore. Come accennato nel paragrafo precedente il MOSFET, o MOS, è un transistor unipolare dove il substrato di materiale semiconduttore è collegato a tre terminali: il gate, il drain e quello duplice source/bulk.

L’applicazione di tensione ai terminali permette di controllare il passaggio di corrente elettrica tra il source e il drain, quindi per sommi capi possiamo dire che il principio di funzionamento si basa sulla generazione di un campo elettrico all’interno del transistor e in corrispondenza del terminale gate che, a seconda dei casi, può avere l’effetto di impedire o di consentire il passaggio della corrente.

 

Il transistor come amplificatore e il transistor come interruttore

L’amplificazione dei segnali elettrici in entrata mediante l’uso dei transistor, tra le altre cose, ha permesso di incrementare notevolmente la capacità di ricezione dei segnali radio. Per questa ragione una delle prime applicazioni di questo componente elettronico è avvenuta nell’ambito dell’elettronica analogica, e in particolar modo nella realizzazione delle radio portatili che proprio all’inizio degli anni cinquanta ebbero una rapida diffusione in tutto il mondo.

Nonostante possa ritenersi superato sotto questo aspetto, invece, il transistor è ancora ampiamente usato come switcher e per il pilotaggio di relè. Un classico esempio è il bc547 che come interruttore è uno dei modelli di transistor attualmente più diffusi.

Come verificare il funzionamento di un transistor

Per testare un transistor e verificare se sia o meno funzionante, basta adoperare un comune multimetro ma i metodi di verifica cambiano a seconda del tipo di transistor. Quelli a giunzione bipolare per esempio, quindi PNP o NPN, vanno controllati collegando i puntali ai piedini come si stessero testando due diodi montati in serie, cioè collegando il puntale col polo positivo al piedino base e poi il puntale con il polo negativo prima al piedino collettore e poi al piedino emettitore. Per identificare i piedini basta consultare gli schemi dei transistor bipolari che possono essere facilmente trovati in rete.