Il MOSFET

A. Costantini |  (la videolezione) In poco meno di un decennio, verso la fine degli anni Quaranta, la ricerca sui dispositivi a semiconduttore fece un grande balzo in avanti, passando dai semplici diodi rettificatori con ossidi di metalli, utilizzati ad esempio nei sistemi radar messi a punto negli anni precedenti alla seconda guerra mondiale, all’invenzione dei transistori a semiconduttore. Benché dietro allo sforzo scientifico che ha portato alla invenzione dei nuovi dispositivi ci fosse una motivazione applicativa (l’idea di voler sostituire gli interruttori meccanici delle centraline telefoniche con interruttori comandati più piccoli e più affidabili basati su principi elettronici), gran parte delle idee innovative furono il frutto dell’entusiasmo e delle fini capacità speculative di un gruppo di ricercatori della società dei telefoni americana: la Bell Telephone. La prima conferma sperimentale della possibilità di ottenere un’amplificazione del segnale in un dispositivo a semiconduttore fu ottenuta il 16 dicembre 1947, quando John Bardeen e Walter H. Brattain fecero funzionare il primo transistore: il transistore con contatti a punte metalliche. Il dispositivo era formato da un cristallo di germanio drogato n (Base) e da due contatti d’oro molto vicini tra di loro (Emettitore e Collettore). Collegando al Collettore un carico, i due ricercatori dimostrarono che variando la corrente al terminale di Base si riusciva ad ottenere una proporzionale variazione del potenziale del Collettore. Poiché il rapporto tra la variazione di potenziale del Collettore e la variazione della corrente di Base ha le dimensioni di una resistenza, gli autori descrissero il dispositivo come “transfer resistor” e coniarono il termine transistor. Il 23 dicembre 1947 i risultati degli esperimenti svolti furono comunicati alla direzione dei laboratori. Questa è la data universalmente considerata come data di nascita del transistore. Ma fu un altro ricercatore dei laboratori Bell, il fisico William Shockley, a legare il proprio nome indissolubilmente ai dispositivi a semiconduttore. Si devono a lui infatti i maggiori meriti nello studio e comprensione dei singoli aspetti fisici del funzionamento del transistore.  I risultati del suo studio ed una messe di idee innovative sono riassunti in cinque pagine del suo quaderno di laboratorio del 23 gennaio 1948. Nello scritto sono puntualizzati in forma chiara tutti gli aspetti del funzionamento del transistore bipolare a giunzione. Il testo costituì la base per la stesura del brevetto, presentato il 26 giugno 1948 e accettato il 25 settembre 1951. A causa delle difficoltà tecnologiche che allora esistevano nelle tecniche di crescita e di drogaggio dei cristalli semiconduttori, si dovette attendere più di un anno prima che un dispositivo con tutte e sole giunzioni pn dimostrasse sperimentalmente la correttezza dei meccanismi di funzionamento ipotizzati. Anche l’invenzione del transistore unipolare ad effetto di campo JFET si deve a W. Shockley. I transistori MOSFET dovettero invece attendere l’inizio degli anni Sessanta prima di essere realizzati, a causa della notevole dipendenza del loro funzionamento dalla qualità del cristallo usato e dalle caratteristiche della interfaccia ossido-semiconduttore. Alla loro realizzazione hanno contribuito gli sforzi di diversi laboratori di ricerca e di numerosi scienziati di differenti Università. W. Shockley, W. H. Brattain e J. Bardeen vennero insigniti, per le loro invenzioni, del Premio Nobel per la Fisica nel 1956. La struttura dei MOSFET si mantenne simile a quella proposta dagli inventori, per parecchi decenni fino a quando nuove esigenze emersero che stimolarono nuove soluzioni. A suggello dell’importanza del transistore nella vita contemporanea riflettiamo sul fatto che si prevede che entro il 2025 ci saranno più transistor al silicio sul pianeta Terra che cellule umane.