Transistor

Siamo arrivati qui dalle giunzioni p-n e dai diodi della pagina sui diodi e alimentatori, dove abbiamo imparato a dare una via alla corrente con una barriera di potenziale che si assottiglia o si alza a comando della tensione applicata, e abbiamo visto come questo gesto semplice, fatto di silicio drogato e di soglie intorno ai 0,7 volt, basti a raddrizzare la tensione della presa, ad accendere i LED e a proteggere i circuiti dalle sorprese dell'energia induttiva. In quella pagina però è rimasta in sospeso una promessa enorme, perché il diodo sa soltanto lasciare passare oppure fermare, come una saracinesca che obbedisce al verso della corrente e basta, ed è proprio alla fine che la pagina precedente ha indicato il dispositivo capace di qualcosa di più, cioè di comandare il flusso con un segnale esterno applicato a un terzo morsetto. Quel dispositivo è il transistor, e questa pagina intera serve a onorare la promessa, perché il transistor è il componente che ha cambiato il mondo più di qualsiasi altro, il mattoncillo minuscolo da cui sono fatti i processori, le memorie, gli amplificatori e praticamente ogni circuito che hai incontrato da quando sei nato.

L'idea fondamentale si racconta in una frase sola, ed è quella di un dispositivo con tre morsetti nel quale la corrente che attraversa due dei morsetti viene comandata da ciò che accade sul terzo, un po' come un rubinetto nel quale il passaggio dell'acqua dipende dalla posizione di una leva esterna che l'acqua stessa non tocca. La bisnonna di questa idea la conosci già, perché nella pagina sui diodi abbiamo raccontato della valvola termoionica e del suo triodo, dove una lamina forata chiamata griglia, infilata tra catodo e placca, decideva con una tensione esigua se gli elettroni raggiungessero o meno la placca, e quel comando a distanza, che i libri chiamano amplificazione, aveva già acceso la fantasia dei pionieri del Novecento. Il transistor eredita esattamente questo mestiere, comandare una corrente grande con un segnale piccolo applicato a un terzo terminale, ma lo compie dentro un cristallo freddo di semiconduttore, senza vuoto da pompare, senza filamenti portati al rosso e senza aspettare che qualcuno si scaldi, e persino il suo nome, nato dalla crasi delle parole inglesi transfer e resistor, racconta la sua funzione di resistenza il cui valore viene trasferito, cioè comandato, da un'altra parte del circuito.

Il primo transistor della storia nacque nel 1948 nei Bell Laboratories, il grande laboratorio americano dove lavoravano John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, e Tanenbaum racconta come i tre ricevettero nel 1956 il premio Nobel per la fisica, un riconoscimento che misura quanto quella scoperta fosse profonda per la scienza del secolo. Il dispositivo che studiamo per primo è il loro erede industriale, il transistor bipolare a giunzione, chiamato BJT dalle iniziali inglesi bipolar junction transistor, dove l'aggettivo bipolare avverte che dentro di lui convivono e lavorano insieme sia gli elettroni sia le lacune, le due specie di cariche incontrate nella pagina sulla materia. Il suo segreto costruttivo è la giunzione p-n vista nella pagina sui diodi, raddoppiata, perché dentro il cristallo si susseguono tre regioni drogate in modo alternato, per esempio una n, poi una p, poi una n, formando due giunzioni appoggiate schiena contro schiena, e le tre regioni portano tre nomi che conviene imparare subito, l'emettitore, drogato in modo generoso, che getta nel gioco le sue cariche come una fontana getta l'acqua, la base, sottilissima e appena accennata nel drogaggio, e il collettore, che raccoglie le cariche vinte e le consegna al circuito esterno.

Sugli schemi elettrici il transistor si disegna come un cerchio attraversato da una linea verticale corta, che rappresenta la base, con due linee oblique che partono da essa verso l'alto e verso il basso per collettore ed emettitore, e una di queste due, quella dell'emettitore, porta una freccia che conviene fissare bene perché richiama proprio il diodo della pagina precedente. La freccia sta sull'emettitore e indica il verso convenzionale della corrente, che entra nella base e nel collettore ed esce dall'emettitore nel tipo NPN, dove la freccia punta verso l'esterno, mentre nel tipo PNP, il suo gemello complementare, la freccia guarda dentro ed è tutto il discorso a rovescio, e in questo percorso useremo quasi sempre il NPN, quello in cui gli elettroni veri viaggiano dall'emettitore al collettore, perché è il più diffuso nei banchi di prova e nei libri. Graffi e Gnudi osservano come il modello più fedele di questo dispositivo, quello che porta i nomi di Ebers e Moll, lo rappresenti come due diodi accoppiati in modo da influenzarsi a vicenda, e questa immagine aiuta a ricordare che la giunzione base-emettitore si comporta, per prima cosa, esattamente come il diodo che sai già interrogare col multimetro.

La storia misura subito il cambiamento, perché Tanenbaum racconta che in dieci anni il transistor rivoluzionò i computer fino a rendere obsoleti, alla fine degli anni cinquanta, i mostri a valvole della generazione precedente, quell'ENIAC che abbiamo incontrato nella pagina sui diodi e che impiegava diciottomila valvole per far correre i bit dentro una stanza. Il primo calcolatore a transistor fu il TX-0, costruito al Lincoln Laboratory del Massachusetts Institute of Technology come macchina sperimentale a sedici bit, e dalla sua ombra nacque nel 1957 la Digital Equipment Corporation, fondata dall'ingegnere Kenneth Olsen, che nel 1961 portò in vendita il PDP-1, una macchina con quattromilanovantasei parole da 18 bit capace di duecentomila istruzioni al secondo, la metà della velocità dell'IBM 7090 dello stesso periodo, al prezzo di centoventimila dollari contro i milioni della grande macchina, e fu la nascita dell'industria dei minicomputer, con il costo che crollava mentre la potenza saliva, e questa danza continua da allora senza sosta.

Il funzionamento fisico si racconta piano, seguendo un singolo elettrone nel suo viaggio. Quando la giunzione base-emettitore riceve una tensione diretta superiore alla soglia, intorno ai 0,7 volt come ogni giunzione al silicio, gli elettroni affluiscono dall'emettitore nella base, ma qui la base è così sottile e così poco drogata che quasi nessun elettrone trova una lacuna con cui ricombinarsi, e la stragrande maggioranza viene risucchiata dal campo elettrico che regna tra base e collettore, attraversando la seconda giunzione come una folla che attraversa una piazza troppo stretta per fermarsi. La corrente di collettore nasce così, dal passaggio di quasi tutte le cariche iniettate, e il punto cruciale è che basta una corrente di base molto piccola, fatta delle poche ricombinazioni che avvengono dentro la base, per sbloccare una corrente di collettore molto più grande, perché ogni elettrone che si ferma in base lascia il posto al passaggio di tanti altri. L'analogia quotidiana è il rubinetto comandato da un dito, dove il dito compie uno sforzo piccolissimo rispetto al getto d'acqua ma sblocca la manovra, e così la base, con la sua correntina modesta, tiene aperto il passaggio di una corrente molto più possente diretta al collettore.

Il rapporto tra la corrente comandata e la corrente di comando ha un nome e una lettera greca, ed è il guadagno di corrente, chiamato beta e scritto con la lettera che assomiglia a una B schiacciata, definito come la corrente di collettore divisa per la corrente di base, e in un transistor da banco vale tipicamente intorno al cento, con pezzi fortunati che superano il trecento. Facciamo subito un esempio numerico svolto, perché il numero racconta meglio delle parole, e supponiamo di spingere nella base una corrente di cinquanta microampere, cioè cinquantesimi di milliampere, un filo d'acqua elettrico. Con un guadagno di cento la corrente di collettore vale cinquanta microampere moltiplicati per cento, e cioè cinque milliampere, una corrente capace di accendere un LED o di far scattare un relè, ottenuta da un comando che un dito umano può quasi fornire. Questa moltiplicazione è il primo significato pratico del transistor, perché un segnale debole, che da solo riuscirebbe a malapena a muovere un ago strumentale, acquista di colpo la forza di comandare potenza vera, e questa è la radice da cui crescerà l'amplificatore della seconda metà della pagina.

Come ogni componente onesto, il transistor racconta il suo comportamento in una curva caratteristica, anzi in due famiglie di curve, perché Graffi e Gnudi ci spiegano come un dispositivo a tre morsetti richieda di accostare due tensioni e due correnti per essere descritto, e la caratteristica di ingresso, tra tensione e corrente di base, somiglia a quella di un diodo, con corrente quasi nulla sotto la soglia e crescita ripida subito dopo, mentre la caratteristica di uscita, tra tensione collettore-emettitore e corrente di collettore, mostra il collettore assumersi il ruolo di protagonista con una ragnatela di linee quasi orizzontali, ognuna contrassegnata dal valore della corrente di base che la genera, come tante funi parallele tirate a livelli diversi.

Dentro queste curve vivono tre regioni di funzionamento che dobbiamo imparare a nominare una per una, e i nomi valgono più di molte formule. La prima è la interdizione, dove la tensione base-emettitore resta sotto la soglia, le correnti si annullano e il transistor si comporta come un interruttore aperto che guarda il flusso passare altrove. La seconda è la regione attiva, detta anche normale nei libri, dove la corrente di collettore obbedisce alla legge del guadagno essendo beta volte quella di base, ed è la regione del lavoro fine, quella dell'amplificatore paziente. La terza è la saturazione, dove la base riceve così tanta corrente che il collettore non riesce più a raccoglierla tutta e il transistor diventa quasi un cortocircuito, con una tensione collettore-emettitore residua che il modello a soglia del libro fissa tipicamente tra 0,1 e 0,3 volt, e questi numeri, la soglia tra 0,7 e 0,9 volt e la caduta di saturazione tra 0 e 0,3 volt, li ritroverai tra poco misurati col multimetro tra i piedini veri di un pezzo vero.

Le tre regioni regalano al transistor la sua prima grande professione, quella di interruttore comandato, e il gioco consiste nel farlo saltare bruscamente tra interdizione e saturazione, trattando la regione attiva come un territorio da attraversare in volo senza mai fermarcisi. Interdetto, il transistor sbarra il passaggio della corrente come un interruttore aperto, saturato, la lascia scorrere come un interruttore chiuso che tiene ai suoi capi appena un decimo di volt, e questi due stati netti coincidono con i livelli basso e alto della pagina sulla logica digitale, dove le porte NOT, AND e OR si sono già rivelate fatte di transistor e resistenze. Il motivo per cui questo ruolo domina i circuiti integrati sta nella perfezione dell'operazione, dato che un interruttore a transistor non ha parti mobili, non si consuma con gli anni, commuta in nanosecondi, cioè in miliardesimi di secondo, occupa uno spazio microscopico e, nella tecnologia che oggi domina, consuma energia soltanto mentre cambia stato, il che spiega come si possano stipare miliardi di esemplari in un chip che pure resta tiepido.

Per rendere l'immagine concreta conviene ripassare le due costruzioni già incontrate nella pagina sulla logica digitale. La NOT si realizza con una resistenza che tiene l'uscita tirata verso l'alimentazione e un transistor che, quando la base riceve tensione, scarica l'uscita verso massa, rovesciando l'ingresso, e lo schema qui sotto la disegna nei suoi particolari essenziali. La AND si realizza con due transistor in serie sul percorso verso massa, perché la corrente passa soltanto quando entrambi conducono, come due serrature allineate sulla stessa porta di casa, e anche questa la trovi qui sotto, ripresa dalla stessa pagina del percorso. Entrambe le figure raccontano la stessa morale, e cioè che ogni porta logica, per quanto astratta possa sembrare nel disegno a blocchi, altro non è che qualche transistor comandato con criterio e qualche resistenza che tiene i punti al loro posto.

L'altra professione del transistor è più sottile e si chiama amplificatore, ed è la specialità di tutta la sezione di elettronica analogica, quella in cui la tensione vive come una curva continua e mai come due livelli. Qui il transistor viene piazzato con cura nella regione attiva, in un punto di riposo scelto dai progettisti, e i libri chiamano questa operazione polarizzazione, dal verbo polare che ricorda il dare una direzione, perché una batteria e due resistenze fissano la corrente di base e quella di collettore in modo che il dispositivo lavori nel tratto utile della sua curva, dritto e sensibile. Sopra questo punto di riposo viene poi appoggiato il piccolo segnale, per esempio la debole tensione nata da un microfono, che fa oscillare la tensione base-emettitore di pochi millivolt attorno al valore di riposo, e siccome nella regione attiva la risposta è quasi lineare queste variazioni vengono riprodotte in scala ingrandita sul collettore, esattamente come una barchetta che galleggia su un'onda lunga ne segue il moto salendo e scendendo senza per questo capovolgersi. Il capitolo sui segnali del libro di Graffi e Gnudi formalizza questo gioco con eleganza, insegnando a separare i valori di polarizzazione, costanti nel tempo, dalle variazioni del segnale, e a trattare queste ultime, pur nate da una curva incurvata, con regole lineari semplicissime che rendono i conti accessibili a chiunque sappia la legge di Ohm.

Lo stadio che mette in pratica questo sogno ha un nome da conoscere a memoria, ed è lo stadio a emettitore comune, detto così perché l'emettitore è il terminale che fa da terra comune tra il percorso d'ingresso e quello d'uscita, ed è il circuito più classico di tutta l'elettronica, quello che trovi disegnato per primo in ogni manuale che si rispetti. Il segnale entra sulla base, attraverso un condensatore che lascia passare le variazioni e blocca la polarizzazione continua, e l'uscita si preleva sul collettore, dove una resistenza di carico converte le variazioni di corrente in variazioni di tensione secondo la legge di Ohm imparata nella pagina sui circuiti. Il guadagno vale approssimativamente il prodotto della capacità del transistor di convertire tensione in corrente, parametro che i libri chiamano transconduttanza e abbreviano gm, per il valore della resistenza di carico, così che a una corrente di riposo di collettore di un milliampere, che dà una transconduttanza di circa quaranta milliampere per volt, e con una resistenza da 2,2 kiloohm, il guadagno raggiunge circa le novanta volte, con la particolarità che la tensione d'uscita risulta rovesciata rispetto a quella d'ingresso, un dettaglio che spiega il segno meno che compare nelle formule degli schemi e che qui basta conoscere senza temerlo.

A metà degli anni cinquanta, sempre nei Bell Laboratories, Dawon Kahng e Mohamed Atalla misero a punto il secondo grande tipo di transistor, il transistor MOS a effetto di campo, dove le sigle MOS stanno per metal oxide semiconductor, metallo ossido semiconduttore, una tripletta che descrive la sua architettura a sandwich. Il MOS vive sopra un substrato di silicio drogato di tipo P nel quale sono scavate due isole di tipo N chiamate source, sorgente, e drain, pozzo, e sopra il tratto di substrato che separa le due isole viene fatto crescere un sottilissimo strato di ossido di silicio, un isolante perfetto, coperto a sua volta da un elettrodo metallico chiamato gate, cancello. Quando il gate riceve una tensione positiva rispetto al substrato, il suo campo elettrico attira gli elettroni verso la superficie sotto l'ossido, e appena la tensione supera una soglia questi elettroni formano un sottile canale conduttore che unisce le due isole, permettendo alla corrente di scorrere da source a drain, ed è per questo che si parla di canale indotto, perché il passaggio si materializza soltanto quando il campo elettrico lo evoca dal substrato, come una strada che appare nel terreno solo mentre il semaforo comanda.

Il nome racconta la ricetta e il mestiere insieme, e vale la pena scomporlo con calma. La parte field effect, effetto di campo, spiega il principio fisico, perché il gate comanda la corrente attraverso il campo elettrico che genera, senza toccare il canale e senza condurre alcuna corrente continua, dato che l'ossido lo isola come il vetro di una finestra isola il calore di una stanza, ed è proprio questo il tratto che ha cambiato la storia dei circuiti integrati, differenziandolo dal bipolare, che invece per comandare chiede sempre una corrente di base. La parte metal oxide semiconductor elenca invece gli strati del sandwich, metallo, ossido e silicio, e se oggi il metallo vero è stato sostituito da materiali più raffinati il nome è rimasto appiccicato, un po' come la scritta sull'insegna di una bottega che continua a chiamarsi col nome del fondatore anche dopo generazioni di cambiamenti. I progettisti ricordano infine un quarto morsetto, il substrato, chiamato bulk, che nella stragrande maggioranza dei circuiti viene semplicemente legato all'alimentazione più bassa e poi dimenticato, ma che nei chip più raffinati riceve tensioni regolate per modulare le prestazioni dei singoli transistor con sottigliezza chirurgica.

Il motivo per cui il MOS ha conquistato i circuiti integrati si legge in una proprietà fisica e in una leggenda economica, e le due si rafforzano a vicenda. La proprietà fisica è che il gate, essendo isolato, non assorbe corrente continua, il che significa che un MOS fermo non consuma nulla sul suo ingresso, e accoppiando un MOS a canale n con uno a canale p, speculari e complementari, si ottiene la tecnologia chiamata CMOS, nella quale la corrente scorre soltanto nel breve istante della commutazione, rendendo possibili chip con milioni di porte che altrimenti fonderebbero come una città intera costretta a trafficare senza semafori. La leggenda economica è la legge di Moore, nata da un'osservazione di Gordon Moore, cofondatore di Intel, il quale scherzò che se l'aviazione fosse cresciuta quanto i computer un aereo costerebbe cinquecento euro, circumnavigherebbe la terra in venti minuti con venti litri di carburante e starebbe comodo in una scatola da scarpe, e poi osservò sul serio che il numero di transistor per chip raddoppiava circa ogni diciotto mesi, una crescita del sessanta per cento l'anno proseguita per decenni, che ha portato dai circuiti con decine di transistor degli anni sessanta ai processori con milioni di porte degli anni novanta e ben oltre.

Come interruttore il MOS si comporta in modo ancora più regolare del bipolare, perché basta portare la tensione di gate sopra la soglia, che nei componenti da banco vale intorno al volt, per aprire il canale e condurre, e riportarla sotto la soglia per chiuderlo, e tutto il comando avviene per tensione, senza che il circuito di comando debba fornire corrente continua, il che lo rende l'interruttore ideale per pilotare altri interruttori a valle. Nei circuiti digitali questo si traduce in porte costruite con un MOS che tira l'uscita verso l'alimentazione e un altro che la scarica verso massa, secondo la logica della tecnologia complementare, e siccome i livelli logici alto e basso si appoggiano proprio su questi due stati di conduzione, il MOS è diventato il mattoncino di tutti i processori moderni. Quando nella pagina sulla logica digitale abbiamo detto che due transistor in serie compongono una AND e che un transistor con una resistenza compone una NOT, i transistor di quella frase erano per la maggior parte MOS, come del resto quelli che in questo istante stanno scorrendo queste parole sul tuo schermo, milioni di volte al secondo, in silicio freddo e paziente.

I numeri di oggi meritano un paragrafo a parte, per prendere la vertigine con le mani. Nei processi produttivi più avanzati la lunghezza del canale, cioè la distanza che separa source da drain sotto il gate, si misura in pochi nanometri, con nodi commerciali a tre e a due nanometri, dove un nanometro è la miliardesima parte di un metro, tanto che il canale intero è largo una manciata di atomi messi in fila, e i processori e le schede grafiche più ricche superano decine di miliardi di transistor, con i pezzi di punta che superano già i duecento miliardi in un unico cristallo più piccolo di un francobollo. Questa miniaturizzazione forsennata comincia però a incontrare il muro della fisica, perché quando le barriere isolanti diventano spesse pochi atomi le correnti di dispersione, chiamate leakage, si insinuano attraverso di esse come acqua tra le assi di una barca vecchia, gli elettroni saltano le barriere per effetto tunnel, un comportamento quantistico impensabile alle dimensioni umane, e la densità di potenza genera calore difficile da smaltire, così gli ingegneri studiano nuovi materiali, nuove geometrie come il gate avvolgente, e più avanti tecnologie che sostituiscano il silicio stesso, mentre la legge di Moore rallenta il suo passo storico e l'industria impara a crescere per altre vie.

Siamo ora in grado di chiudere il cerchio e raccogliere il raccolto, perché il transistor si presenta con due facce che sono in realtà la stessa idea osservata da due angolazioni diverse. La prima faccia è quella dell'amplificatore in analogica, dove il dispositivo, piazzato nella regione attiva dalla polarizzazione, prende un piccolo segnale e lo restituisce grande e pulito, e questa è la faccia che senti quando alzi il volume di una chitarra o quando un microfono fragile riempie una chiesa di suono senza sforzo apparente. La seconda faccia è quella dell'interruttore in digitale, dove il dispositivo salta tra interdizione e saturazione e trasforma tensioni alte e basse negli zeri e negli uno con cui la macchina calcola tutto, e questa è la faccia che lavora nel processore mentre leggi. Le due facce insieme fanno del transistor la chiave di volta dell'elettronica moderna, l'elemento che ha sostituito la valvola, ha rimpicciolito il computer da una stanza a una tasca e ha reso possibile l'intero percorso di Tutanum che stai seguendo con pazienza.

La spiegazione fin qui è rimasta sulle spalle della comprensione, e la comprensione diventa abilità soltanto quando le mani fanno la loro parte, quindi appoggia il ragionamento e vieni al banco di lavoro con sei esperimenti ordinati dal più semplice al più articolato, tutti alimentati a batteria, perché la regola di sicurezza di questa pagina è la stessa delle pagine precedenti e cioè che giochiamo soltanto con pile a bassa tensione, lontano dalla presa di casa e dalle sue sorprese, dato che nove volt a batteria sono docili come un gatto domestico mentre la tensione della rete non perdona mai, e nemmeno si presenta due volte per chiedere scusa.

Il primo esperimento monta un transistor NPN, per esempio un 2N2222 oppure un BC547, facendogli fare da interruttore che accende e spegne un LED rosso, e il montaggio conviene raccontarlo pezzo per pezzo. Collega l'emettitore al polo negativo della batteria da 9 volt, inserisci il LED con la sua resistenza da 470 ohm nel percorso che va dal positivo al collettore, e porta il comando alla base attraverso una resistenza calcolata davanti, così come un bravo artigiano misura due volte prima di tagliare. Il calcolo procede così, con il LED che vuole 2 volt e la batteria che ne offre 9, la resistenza di collettore porta la corrente a circa 15 milliampere, e per saturare il transistor senza esagerare si usa la regola pratica di comandare la base con un decimo della corrente di collettore, e cioè 1,5 milliampere, così la resistenza di base deve assorbire i 9 volt meno i 0,7 della giunzione, e cioè 8,3 volt divisi per 1,5 milliampere, che danno circa 5,6 kiloohm, valore che trovi nel cestino delle resistenze senza fatica. Tocca poi l'estremità libera della resistenza di base al positivo e il LED si accende, staccala e si spegne, e davanti a te, minuscolo e freddo, c'è l'interruttore comandato che la teoria prometteva.

Il secondo esperimento è il più teatrale e usa il tuo corpo come generatore, toccando con un dito il punto che unisce il positivo della batteria alla resistenza di base, così che la corrente debba attraversare la tua pelle per raggiungere il comando del transistor. La pelle umida offre una resistenza che può scendere sotto le centinaia di kiloohm, e attraverso di essa scorrono pochi microampere, milionesimi di ampere, che il guadagno del transistor moltiplica fino ad accendere il LED con vigore visibile, un piccolo miracolo che ti vede parte attiva del circuito e che ripaga da solo la lettura di tutta la pagina. Prova poi ad asciugare bene il dito e osserva il LED affievolirsi quasi a sparire, perché la pelle secca oppone una resistenza maggiore e la corrente di comando cala, e ripeti il gioco toccando prima con due diti e poi con tutta la mano, per intuire come il corpo umano conduca abbastanza da comandare l'elettronica e troppo poco, per fortuna, per alimentarla.

Il terzo esperimento affina la misura con il multimetro e trasforma l'intuizione in numero, lavorando sul circuito del primo esperimento già acceso. Misura la tensione tra base ed emettitore e troverai circa 0,7 volt, la soglia della giunzione che il libro indica tra 0,7 e 0,9 volt, poi misura la tensione tra collettore ed emettitore e troverai un valore piccolissimo, tipicamente tra 0,1 e 0,3 volt, che è la firma elettrica della saturazione, il segnale che il transistor sta conducendo tutto ciò che può e si comporta come un interruttore chiuso con una caduta quasi nulla ai suoi capi. Stacca poi il comando della base e ripeti la misura sul collettore, che ora mostrerà i 9 volt quasi interi della batteria, la fotografia speculare dell'interdizione, e confrontando le due letture avrai verificato con le mani le tre regioni della teoria, spostando il transistor dal tavolo dei diagrammi al banco della falegnameria elettronica, dove i numeri sono fatti di rame anziché di parole.

Il quarto esperimento ricostruisce la porta NOT già incontrata nella logica digitale, usando un transistor, una resistenza da qualche kiloohm e la batteria, e lo schema elettrico che hai visto poco sopra, quello con la resistenza verso l'alto e il transistor verso massa, ti guida alla perfezione nella costruzione. Monta la resistenza tra il positivo e il punto d'uscita, il transistor tra il punto d'uscita e massa, e il comando della base come ingresso, poi tocca l'ingresso al positivo e misura l'uscita, che cade vicino a zero, e staccalo, lasciando la base libera, e osserva l'uscita tornare vicina ai 9 volt, perché la resistenza tira su il punto quando il transistor tace. Commutando l'ingresso con un filo verso il positivo e verso il negativo, e leggendo il multimetro a ogni passaggio, ottieni la tabella di verità della NOT scritta in tensioni vere, e scopri che il linguaggio astratto degli zeri e degli uno trova sul tuo banco di lavoro il suo corpo fisico di rame, silicio e una resistenza colorata.

Il quinto esperimento osserva il temperamento termico del silicio, avvicinando il dito al corpo del transistor acceso senza toccare i contatti metallici, così che il calore della pelle, qualche grado sopra la temperatura ambiente, raggiunga il cristallo attraverso l'aria e attraverso la piccola capsula di plastica. Il LED cambierà leggermente, di solito acquistando un filo di luminosità, perché la corrente di un transistor cresce con la temperatura, un effetto che i libri trattano con rispetto e che nei circuiti veri costringe i progettisti a prevedere compensazioni, sensori dedicati e ventole rumorose. Tieni il dito fermo per un minuto intero e osserva la deriva lentissima della luminosità, poi allontanalo e guarda il tutto tornare lentamente indietro, e custodisci questa sensazione, perché la sensibilità alla temperatura che qui vedi giocare con un LED è la stessa che negli amplificatori seri trasforma il calore in rumore parassita e che nei grandi data center brucia elettricità pura per essere tenuta a bada.

Il sesto esperimento si svolge in poltrona, con il computer sulle ginocchia e la scheda tecnica, chiamata datasheet nel gergo degli elettronici, di un transistor diffusissimo come il 2N2222 oppure il 2N7000, cercata in rete sul sito di un costruttore o di un distributore di componenti. Apri il documento e sfoglialo senza paura, perché dopo questa pagina ne riconoscerai il lessico, e per il 2N2222 troverai che i piedini, guardando il corpo nero col lato piatto rivolto verso di te, sono emettitore, base e collettore in fila da sinistra a destra, che la corrente massima di collettore sfiora gli 800 milliampere, che la tensione massima tra collettore ed emettitore è di 40 volt e che il guadagno minimo garantito si aggira intorno al cento, numeri che confermano i conti fatti al banco e che ti dicono quanto margine ti separi dai limiti del componente. Per il 2N7000, che è un MOS, troverai la soglia di gate dichiarata tra 0,8 e 3 volt, sessanta volt di massima tensione tra drain e source e circa duecento milliampere di corrente ammissibile, e confrontando le due schede capirai con chiarezza perché il mondo digitale abbia scelto il secondo, ricordando per tutta la lettura che i nostri esperimenti restano a batteria, perché un datasheet descrive limiti che in casa non vogliamo mai sfiorare.

Questa pagina attinge soprattutto al capitolo sul transistor bipolare a giunzione, con le sue tre regioni di funzionamento e il modello a soglia, e al capitolo sui transistor MOS del volume Fondamenti di elettronica analogica di Graffi e Gnudi, dove il capitolo sulle valvole ideali a tre terminali e quello sui segnali e sulle polarizzazioni preparano gli stadi che qui abbiamo raccontato con parole piane, mentre la nascita del 1948 e la legge di Moore arrivano dal libro Architettura dei calcolatori di Andrew S. Tanenbaum, che custodisce la memoria delle generazioni di macchine. Ora che sai comandare la corrente con un terzo morsetto, saturare un interruttore e immaginare un amplificatore al lavoro, il passo successivo compie il sogno annunciato in questa pagina e ti insegna a prendere un segnale debole e consegnarlo forte e pulito alle casse, alle antenne e ai convertitori, perché la prossima pagina è dedicata agli amplificatori e agli operazionali e puoi raggiungerla da qui quando ti senti pronto.