Transistor vacuum-channel, dalle valvole la strada per il futuro


Uno dei principali motori dell’innovazione tecnologica nel campo dei circuiti integrati è la ricerca di sempre maggior velocità computazionale unita a consumi sempre più bassi. Maggiori prestazioni, da un lato, perché la potenza di calcolo apre la strada a nuove applicazioni, e maggior efficienza dall’altro, perché un minor consumo energetico si traduce in maggiore autonomia operativa dei dispositivi portatili e minori costi d’esercizio per le installazioni fisse, come i server e i datacenter.

Il cuore dei circuiti integrati è il transistor, un componente elettronico a tre terminazioni denominate gate, source e drain. La particolarità del transistor sta nel fatto che una tensione applicata al gate controlla la quantità di corrente (un flusso di elettroni) che passa tra source e drain. E’ questo preciso comportamento che permette al transistor di fungere da amplificatore di segnale o da interruttore.


Nel corso degli ultimi anni l’innovazione tecnologica dei circuiti integrati è stata sinonimo di miniaturizzazione, ovvero della ricerca spasmodica della riduzione delle dimensioni dei transistor (specificheremo meglio in seguito) poiché questa si è rivelata essere la strada più facile per consentire ai transistor di poter essere accesi e spenti più velocemente, di operare a bassi consumi (minor corrente per il loro funzionamento) e di condensarli in quantità elevate su un chip di silicio.

Questa strada sta però rapidamente avvicinandosi al raggiungimento dei limiti fisici: i transistor convenzionali non potranno diventare molto più piccoli di quanto già possibile oggi. Ecco quindi che le attività di ricerca si spostano sullo studio di nuovi materiali e nuove strutture, per cercare di superare questi limiti. L’approccio ora è quello di ricercare una maggiore mobilità degli elettroni: grafene, nanotubi di carbonio, nanocavi sono tutti progetti che vanno in questa direzione e ai quali aziende e atenei attorno al mondo stanno lavorando con grande intensità.

In questo si innesta un nuovo filone della ricerca tecnologica: l’Ames Research Center della NASA sta infatti lavorando da qualche anno allo sviluppo di un nuovo concetto di transistor, chiamato transistor vacuum-channel. Si tratta di una ricerca ancora in fase iniziale, ma che ha già permesso di realizzare alcuni prototipi capaci di operare 10 volte più velocemente rispetto ai normali transistor in silicio con la potenzialità di operare a frequenze nell’ordine dei terahertz, ben al di là della portata di qualsiasi dispositivo a stato solido di oggi. I transistor vacuum-channel sono inoltre molto più tolleranti al calore e alla radiazione. Per comprendere più a fondo questo nuovo tipo di transistor è necessario fare qualche passo indietro e risalire al predecessore del transistor: la valvola termoionica o tubo a vuoto.

La valvola termoionica è un particolare dispositivo, che può ricordare una lampadina nell’aspetto, costituito da un involucro (vetro, ceramica o metallo) nel quale viene praticato il vuoto e dove si trovano un filamento metallico e una serie di elementi collegabili dall’esterno. Transistor e valvole, ad una prima occhiata, possono sembrare dispositivi senza alcuna attinenza. In realtà sono molto più simili di quanto si possa immaginare. Anche la valvola, come il transistor, è un dispositivo a tre terminazioni (griglia, catodo e anodo) e anche la valvola può fungere da amplificatore di segnale o da interruttore. Il funzionamento è infatti il medesimo: la tensione applicata alla griglia controlla la quantità di corrente che passa tra catodo e anodo.

Vi è tuttavia una differenza sostanziale nel modo in cui la corrente elettrica fluisce in una valvola rispetto ad un transistor. In quest’ultimo la corrente è il passaggio di elettroni dalla source al drain attraverso il materiale solido semiconduttore che li separa, mentre nella valvola è il riscaldamento del catodo a causare l’emissione di elettroni nel vuoto circostante per effetto termoionico.

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