Come funzionano i transistor - Gokul J. Krishnan

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I computer moderni stanno rivoluzionando le nostre vite, svolgendo compiti inimmaginabili anche solo decenni fa. Questo è stato reso possibile da una lunga serie di innovazioni, ma esiste un'invenzione fondamentale su cui quasi tutte le altre si basano: il transistor. Gokul J. Krishnan spiega che cos'è un transistor e come questo piccolo dispositivo permette ai computer di fare cose straordinarie.

Lezione di Gokul J. Krishna, animazione di Augenblick Studios.

I moderni computer
stanno rivoluzionando le nostre vite,

svolgendo compiti inimmaginabili
anche solo decenni fa.

Questo è stato reso possibile da
una lunga serie di innovazioni,

ma esiste un'invenzione fondamentale
su cui quasi tutte le altre si basano:

il transistor.

Che cos'è, e come fa

un dispositivo del genere a rendere
possibile tutto ciò che fanno i computer?

Alla base, tutti i computer non sono altro
che ciò che il loro nome fa intendere,

macchine che eseguono
operazioni matematiche.

I primi computer erano
dispositivi di conteggio manuali,

come l'abaco,

mentre i più recenti utilizzavano parti meccaniche.

Ciò che li ha resi computer è stato
avere un modo di rappresentare i numeri

e un sistema per manipolarli.

I computer elettronici
funzionano allo stesso modo,

ma i numeri sono rappresentati

da tensioni elettriche, invece
che da disposizioni fisiche.

Molti computer del genere utilizzano una
matematica chiamata logica Booleana

che può assumere solo due valori,

cioè le condizioni logiche
"vero" e "falso,"

rappresentate dai
numeri binari uno e zero.

Questi sono rappresentati
da voltaggi alti e bassi.

Le equazioni sono implementate
tramite circuiti di reti logiche

che restituiscono uno
oppure zero in uscita

valutando se i segnali in entrata
soddisfano una certa condizione logica.

Questi circuiti eseguono
tre operazioni logiche fondamentali,

congiunzione, disgiunzione e negazione.

La congiunzione funziona come "porta AND"
e fornisce un voltaggio in uscita alto

solo se riceve
due voltaggi alti in entrata,

e gli altri tipi di porta
funzionano in modo simile.

I circuiti possono essere combinati
per eseguire operazioni complesse,

come addizione e sottrazione.

I programmi per computer
consistono di istruzioni

per eseguire queste operazioni
elettronicamente.

Questo tipo di sistema ha bisogno
di un metodo accurato

per controllare la corrente elettrica.

I primi computer elettronici, come l'ENIAC

utilizzavano un dispositivo
chiamato tubo a vuoto.

La sua forma primitiva, il diodo,

consisteva in due elettrodi in
un contenitore di vetro sottovuoto.

Applicando una tensione al catodo,
questo si scalda e rilascia elettroni.

Se l'anodo è ad un livello di potenziale
leggermente più positivo

gli elettroni ne vengono attratti,

chiudendo il circuito.

Questo flusso di corrente unidirezionale
poteva essere controllato

variando la tensione al catodo,

facendogli così rilasciare
più o meno elettroni.

Il passo successivo fu il triodo,

che utilizza un terzo elettrodo
chiamato griglia.

Si tratta di uno strato di filo
tra l'anodo e il catodo

attraverso cui passano gli elettroni.

Cambiando il suo voltaggio,
la griglia respinge

oppure attrae gli elettroni
emessi dal catodo,

permettendo rapidi
cambiamenti di corrente.

L'abilità di amplificare i segnali rese il
triodo fondamentale per le comunicazioni

radio e a lunga distanza.

Ma nonostante questi progressi, i tubi a
vuoto erano ingombranti e poco affidabili.

Con 18.000 triodi, l'ENIAC era grande
quasi quanto un campo da tennis

e pesava 30 tonnellate.

I tubi si guastavano
un giorno sì e uno no,

e in un'ora consumava l'elettricità
di 15 abitazioni in un giorno.

La soluzione fu il transistor.

Al posto degli elettrodi
si utilizza un semiconduttore,

come silicio "drogato"
con diversi elementi

per creare uno strato
di tipo N che emette elettroni

e uno di tipo P che li assorbe.

Questi sono disposti
su tre livelli alternati

con un terminale per ognuno.

L'emettitore, la base e il collettore.

In questo tipico transistor NPN,

a causa di alcuni fenomeni
sull'interfaccia P-N

si forma una regione tra l'emettitore
e la base chiamata giunzione P-N.

Conduce elettricità solamente quando

viene applicato un voltaggio
superiore ad una certa soglia.

In caso contrario, rimane spento.

In questo modo, piccole variazioni
nel voltaggio di ingresso

vengono usate per commutare velocemente
correnti in uscita alte o basse.

Il vantaggio del transistor risiede
nella sua efficienza e compattezza.

Dato che non richiedono riscaldamento,
sono più durevoli e usano meno potenza.

L'ENIAC è ora sorpassato da un singolo
microchip grande quando un'unghia,

che contiene miliardi di transistor.

Eseguendo trilioni di calcoli al secondo,

potrebbe sembrare che
i computer odierni facciano miracoli

ma, alla base di tutto,

ogni singola operazione è ancora semplice
come l'azionamento di un interruttore.