Elettronica-Millman J Grabel a -Microelettronica

Indice

Presentazione

I:.'

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Prefazione all'edizione italiana

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r

- Breve storia

XV XVII

Prefazione Prologo

XIII

dell'elettronica

1

Parte prima Dispositivia semiconduttore

17

1 Semiconduttori 1.1 Forze, campi ed energia 1.2 Conduzione nei metalli 1.3 Semiconduttori intrinseci 1.4 Semiconduttori estrinseci 1.5 Variazioni nelle proprietà del silicio 1.6 Diffusione 1.7 Semiconduttori a drogaggio graduale

19 19 23 27 31 36 37 39

2 Il diodo a giunzionepn 2.1 La giunzione a circuito aperto 2.2 La giunzionepn polarizzàta 2.3 La caratteristica tensione-corrente 2.4 Dipendenza dalla temperatura della caratteristica 1-V 2.5 Diodi al germanio 2.6 Il diodo come elemento circuitale 2.7 Modelli per grandi segnali 2.8 Applicazioni elementari del diodo 2.9 Modelli per piccoli segnali 2.10 Tempi di commutazione del diodo a giunzione 2.11 Diodi Zener

43 43 46 48 51 52 52 55 59 65 70 72

VI Indice

2.12 Diodi Schottky 2.13 Il diodo a giunzione brusca

75 76

3 Transistori bipolari.a giunzione 3.1 Il generatore ideale controllato in corrente 3.2 Il transistore a giunzione 3.3 Il modello di Ebers-Moll del BJT 3.4 Le caratteristiche a base comune (common base, CB) 3.5 La configurazione a emettitore comune (CE) 3.6 Modi di funzionamento in interdizione e in saturazione 3.7 Modelli in continua 3.8 Il BJT come interruttore 3.9 Il BJT come amplificatore 3.10 Il modello per piccoli segnali del BJT 3.11 Il BJT come diodo . 3.12 La coppia differenziale 3.13 Limiti di funzionamento dei transistori (transistorratings)

85 85 89 93 99 102 107 112 118 122 126 132 134 137

4 Transistori a effetto di campo 4.1 Il generatore ideale di corrente controllato in tensione 4.2 Il transistore a effetto di campo a giunzione 4.3 Caratteristiche tensione-corrente del JFET 4.4 La caratteristica di trasferimento del JFET 4.5 Il MESFET 4.6 Il MOSFET ad arricchimento 4.7 Caratteristiche tensione-corrente del MOSFET ad arricchimento 4.8 Il MOSFET a svuotamento 4.9 Simboli circuitali dei MOSFET 4.10 Analisi in continua dei FET 4.11 Il MOSFET come resistenza 4.12 Il FET come interruttore 4.13 Il FET come amplificatore 4.14 Modelli per piccoli segnali dei FET 4.15 Dispositivi CMOS

143 143 145 148 152 153 153 156 160 161 163 166 168 172 174 180

5 Fabbricazione dei circuiti integrati 5.1 Tecnologia per circuiti integrati monolitici (microelettronica) 5.2 I processi planari 5.3 Fabbricazione del transistore bipolare 5.4 Fabbricazione dei FET 5.5 Tecnologia CMOS 5.6 Diodi monolitici 5.7 Il contatto metallo-semiconduttore 5.8 Resistenze per circuiti integrati 5.9 Condensatori integrati 5.10 Inc.apsulamento dei circuiti integrati 5.11 Caratteristiche dei circuiti integrati 5.12 Layout di circuiti integrati

185 185 189 195 202 205 206 208 209 214 216 217 218

Indice

Parte seconda Circuiti e sistemi digitali

223

6 Circuiti logici (digitali) elementari 6.1 Il sistema binario 6.2 Algebra booleana 6.3 Le porte OR-esclusivo, NAND e NOR 6.4 Caratteristiche delle porte logiche 6.5 L'invertitore NMOS 6.6 Ritardo di propagazione dell'invertitore NMOS 6.7 Porte logiche NMOS 6.8 L'invertitore CMOS 6.9 Porte logiche CMOS 6.10 L'invertitore a BJT 6.11 La porta NAND TTL 2.12 Stadi di uscita TTL 6.13 Famiglie logiche TTL 6.14 Circuiti logici a emettitori accoppiati (ECL) 6.15 Confronto tra famiglie logiche

225 225 228 233 239 246 252 255 257 258 262 264 267 271 273 282

7 Circuiti digitali combinatori 7.1 Porte standard 7.2 Sommatori binari 7.3 Funzioni aritmetiche 7.4 Comparatore digitale 7.5 Generatore-controllore di parità. 1.6 Decodificatore-demultiplexer 7.7 Selettori di dati-multiplexer 7.8 Codificato re . 7.9 Memorie a sola lettura (ROM) 7.10 Indirizzamento bidimensionale di una ROM 7.11 Applicazioni delle ROM 7.12 ROM programmabili (PROM) 7.-13 PROM cancellabili 7.14 Logica a matrice programmabile 7.15 Matrici logiche programmabili

8 Circuiti e sistemi sequenziali 8.1 Memorie a 1 bit 8.2 Proprietà circuitali di un latch bistabile 8.3 Il FLIP-FLOP SR sincrono 8.4 I FLIP-FLOP di tipo Il(, T, D 8.5 Registri a scorrimento 8.6 Contatori asincroni (ripple) 8.7 Contatori sincroni 8.8 Applicazioni dei contatori

~+

VII

285 285 288 295 297 300 301 306 309 314 319 . 322

325 326 328 329 337 337 340 341 345 351 356 361 365

VIII

Indice

9 Sistemi a larghissima scala di integrazione 9.1 Registri a scorrimento dinamici MOS 9.2 Stadi di registri.a scorrimento non a rapporto 9.3 La logica CMOS domino 9.4 Mem.oriead accesso casuale (RAM) 9.5 Celle di memoria lettura-scrittura 9.6 Celle per RAM bipolari 9.7 Dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) 9.8 Strutture CCD 9.9 Logica a iniezione integrata (FL) 9.10 Microprocessori e microelaboratori

371 372 375 378 380 385 392 396 400 404 410

Parte terza Circuiti e sistemi amplificatori

417

lO Configurazioni elementari di amplificatori a bassa frequenza 10.1 Forma d'onda di un ingresso sinusoidale 10.2 Punto di lavoro del BJT 10.3 Polarizzazione del BJT'nei circuiti integrati 10.4 Generatore di corrente di Widlar 10.5 Generatori di corrente a tre transistori 10.6 Polarizzazione di BJT nei circuiti a componenti discreti. Analisi 10.7 Polarizzazione del BJT in circuiti a componenti discreti. Progetto 10.8 Polarizzazione del FET 10.9 Analisi di circuiti a transistori in condizioni di linearità 10.10 L'amplificatore a emettitore comune 10.11 Inseguitore di emettitore 10.12 Amplificatore a base comune 10.13 Confronto tta le configurazioni 10.14 L'amplificatore a emettitore comune con resistenza sull'emettitore

10.15 Amplificatori ~ FET 10.16 10.17 10.18 10.19 10.20 10.21 10.22

Amplificatori a BJT in cascata Amplificatori a transistori composti L'amplificatore differenziale Analisi degli amplificatori differenziali Amplificatori differenziali a FET L'amplificatore operazionale Applicazioni tipiche degli amplificatori operazionali

11 Risposta in frequenza degli amplificatori 11.1 La risposta in frequenza 11.2 Risposta al gradino di un amplificatore 11.3 Guadagno di corrente in cortocircuito per la configurazione a emettitore comune 11.4 La funzione "guadagno"

419 420 424 426 430 433 435 440 444 449 450 454 457 458 459 461 466 470 472 475 479 480 486

493 493 501 504 507

Indice

11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 Il.10 11.11 11.12 11.13

L'amplificatore a emettitore comune alle alte frequenze Il prodotto guadagno-banda L'amplificatore a source comune alle alte frequenze Gli inseguitori 'di emettitore e di source alle alte frequenze Il metodo delle costanti di tempo per la determinazione della risposta in frequenza Risposta in frequenza di più stadi in cascata L'amplificatore cascode (CE-CB) L'amplificatore operazionale alle alte frequenze Effetti dei condensatori di accoppiamento e di bypass

IX

510 514 515 517 523 531 538 541 543

12 Amplificatori reazionati 12.1 Classificazionee'rappresentazione degli amplificatori 12.2 Il concetto di reazione 12.3 L'amplificatore reazionato ideale 12.4 Proprietà degli amplificatori con reazione negativa 12.5 Impedenza negli amplificatori reazionati 12.6 Proprietà delle varie configurazioni di amplificatori reazionati 12.7 Analisi approssimata dell'amplificatore reazionato 12.8 Analisi generalizzata degli amplificatori reazionati 12.9 Approfondimenti sull'impedenza negli amplificatori reazionati 12.10 Amplificatore a tre stadi in reazione parallelo 12.11 Amplificatore a due stadi con reazione parallelo-serie 12.12 Amplificatore a due stadi con reazione serie-parallelo 12.13 Amplificatore a tre stadi in reazione serie 12.14 Analisi generalizzata di amplificatori reazionati multistadio 12.15 Amplificatoricon reazione multipla

551 552 555 559 562 569 573 576 581 589 592 597 599 602 604 608

13 Stabilità e risposta degli amplificatori reazionati 13.1 Effetti della reazione sulla banda 13.2 Stabilità 13.3 Criteri di stabilità 13.4 Compensazione 13.5 Risposta in frequenza degli amplificatori reazionati. La funzione di trasferimento a due poli 13.6 Margine di fase dell'amplificatore reazionato con due poli 13.7 Risposta dell'amplificatore reazionato con tre poli 13.8. Analisi approssimata degli amplificatori reazionati multipolo 13.9 Determinazione approssimata dei poli ad anello aperto 13.10 Approfondimento sulle tecniche di compensazione

615 615 618 620 627

14 Caratteristiche degli amplificatoI;ioperazionali 14.1 Arçhitettura degli amplificatori operazionali 14.2 Lo stadio ad alto guadagno con carico attivo 14.3 Lo stadio differenziale 14.4 Traslazione di livello 14.5 Stadi di uscita

663 663 665 671 678 680

631 638 642 643 645 656

X Indice

14.6 14.7 14.8 14.9 14.10 14.11 14.12 14.13

Tensioni e correnti di sbilanciamento (offset) Misura dei parametri degli amplificatori operazionali Risposta in frequenza e compensazione Slew rate Circuiti BIFET e BIMOS Amplificatori operazionali a tre stadi Altri tipi di amplificatori operazionali Amplificatori operazionali a MOS

684 687 692 699 701 702 704 709

Parte quarta Elaborazione di segnali e acquisizione dati

715

15 Generazione ed elaborazione di forme d'onda 15.1 Oscillatori sinusoidali 15.2 L'oscillatore a,sfasamento 15.3 Oscillatore a ponte di Wien 15.4 Schema generale di un circuito oscillatore 15.5 Oscillatore a quarzo 15.6 Multivibratori 15.7 Comparatori 15.8 Generazione di un'onda quadra da una sinusoide 15.9 Il comparatore rigenerativo (trigger di Schmitt) 15.10 Generatori di onda quadra e triangolare 15.11 Generatori di impulsi 15.12 Il timer integrato 555 15.13 Generatori di base dei tempi 15.14 Generatori di gradinata 15.15 Modulazione di un'onda quadra

717 717 719 721 724 726 728 734 737 738 742 748 751 753 758 760

16 Condizionamento del segnale e conversione dei dati 16.1 Segnali ed elaborazione dei segnali 16.2 Sistemi di campionamento e tenuta (sample-and-hold) 16.3 Multiplexer e demultiplexer analogici 16.4 Convertitori digitale-analogici (D/A) 16.5 Convertitori analogico-digitali (AID) 16.6 .Circuiti integratori e derivatori 16.7 Calcolo elettronico analogico 16.8 Filtri attivi RC 16.9 Filtri di Butterworth e di Chebyshev 16.10 Celle biquadratiche a singolo amplificatore 16.11 Celle biquadratiche con più AO 16.12 Filtri a condensatori commutati' 16.13 Amplifica~ori logaritmici ed esponenziali 16.14 Moltiplicatori analogici 16.15 Raddrizzatori di precisione

769 769 774 776 778 782 788 792 793 797 804 814 817 823 828 831

Indice XI

Parte quinta Elettronica dei grandi segnali

839

17 Circuiti e sistemi di potenza 17.1 Conversione da tensione alternata a continua (ac-dc) 17.2 Raddrizzatori 17.3 Altri circuiti a doppia semionda 17.4 Filtri capacitivi 17.5 Alimentatori stabilizzati 17.6 Regolatori monolitici 17.7 Regolatore a commutazione 17.8 Altre topologie dei regola tori a commutazione 17.9 Amplificatori. per grandi segnali 17.10 Distorsione armonica 17.11 Classificazione degli amplificatori 17.12 Rendimento di un amplificatore in classe A 17.13 Amplificatori push-pull in classe B 17.14 Funzionamento in classe AB 17.15 Amplificatori di potenza a circuito integrato 17.16 Considerazioni per il progetto termico. 17.17 Transistori di potenza a effetto di campo (VMOS)

841 841 842 848 850 854 857 859 863 868 869 873 874 875 879 879 882 885

Appendici . A Costanti e fattori di conversione B Costruttori di semiconduttori e caratteristiche C Sommario di teoria delle reti

893 895 911

-

-

di alcuni dispositivi

1 I

Il

Prologo

Breve storia dell'elettronica

Elettronica - per la maggiorparte di noi questa parola richiama alla mente una varietà di oggetti,da "chip" e computer a transistori e televisione.Tuttavia, mentre concordiamo sugli elementi specificiche costituisconol'elettronica, la sua definizione è sfuggente. Nei paragrafi seguenti definiamo l'elettronica come viene usata in questo libro, non nel senso del dizionario, ma in una maniera che tenta di trasmettere lo spirito e gli aspetti caratteristici della disciplina.Abbiamo scelto la storia come veicoloper fare ciò, perché sono gli sforzidegli individuiche hanno fornito contributi in questo campo che definiscono davvero la disciplina. L'elettronica, in senso stretto, è la scienza e la tecnologia del movimento delle cariche in un gas, nel vuoto o in un semiconduttore. È da notare Gheil movimento della carica confinata in un metallo non si considera elettronica. Questa è stata una divisione storica usata agliinizidel ventesimo secolo per separare ilgià fiorente campo dell'ingegneria elettrica dal nuovo ed emergente campo dell'ingegneria elettronica. A quel tempo l'ingegneria elettrica trattava dispositivi che dipendevano soltanto dal movimento deglielettroni nei metalli, come i motori, i generatori, le lampadine e i sistemi di comunicazionemediante filo (telefono e telegrafo). Tuttavia, all'avvicinarsidella fine del ventesimo secolo, la divisionestorica tra ingegneria elettrica ed elettronica non ha più la sua funzione originale. Oggigli ingegneri elettronici che esercitano la professione assolvono diverse funzioni (progetto, sviluppo, produzione, ricerca e anche insegnamento) con varie applicazioni. Essi si occupano di sistemi mediante i quali noi possiamo comunicare l'uno con l'altro in tutto il mondo, tramite i quali si elaborano grandi quantità di dati e tramite i quali vengono automatizzati processi industriali altamente complessi, e degli elementi usati nella realizzazionedi tali sistemi. Il campo dell'ingegneria elettrica include anche i dispositivi,circuiti e sistemi usati per la generazione, distribuzione e conversione dell'energia elettrica. Il gruppo menzionato nella prima delle due precedenti elencazioni possiede la proprietà comune della elaborazione dell'informazione; il secondo può essere visto come elaborazione dell'energia. Questa distinzione tra elaborazione dell'informazione e dell'energia serve a separare l'elettronica dal resto dell'ingegneria elettrica. Di conseguenza, vediamo che la natura della disciplina dell'elettronica comprende le quattro C - comunicazione, calcolo, controllo e componenti. Il prologo intende offrire un breve profilo storico dell'elettronica moderna. Il centro dell'attenzione è focalizzato sugli sviluppie le applicazioni dei dispositivielettronici e

" Il I Il' I

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2 Prologo

sulla crescita delle industrie derivanti dalla utilizzazione di questi dispositivi in circuiti e sistemi reali. Questa storia si divide in due periodi di tempo principali, cioè l'era del tubo a vuoto e l'era del transistore. La prima comprende gli sviluppi verificatisi nella prima metà del ventesimo secolo e la seconda inizia con l'invenzione del transistore nel 1948. La sezione conclusiva contiene una breve ipotesi su quello che sarà il futuro dell'elettronica. Queste descrizioni danno un quadro complessivo di riferimento in cui comprendere i particolari argomenti tecnici trattati nel testo.

Premesse storiche Le originidell'ingegneria elettronica si basano sulle conquiste da parte di giganti della scienzaqualiAmpère, Coulomb,Faraday, Gauss, Henry, Kirchhoff,Maxwelle Ohm. Il primouso pratico del loro lavoro, nel contesto della elettronica moderna, fu lo sviluppo dei sistemidi comunicazione.Nel 1837Samuel Morse, professore di Belle Arti presso l'università di New York, dimostrò la validità del sistema telegrafico*. L'importanza della telegrafia elettrica fu l'introduzione di un metodo efficace di codifica dell'informazione in segnali elettrici. I punti e le linee del codice Morse rappresentarono il primo uso dei segnali digitali (binari). Quasi quaranta anni più tardi, nel 1876, BelI inventò il telefono e introdusse un metodo per codificare l'informazione parlata come segnale elettrico continuo e quindi decifrare questi segnali a un apparecchio ricevente. L'invenzione del fonografo fatta da Edison nel 1877dimostrò che i segnali elettrici potevano essere immagazzinati e successivamenterecuperati. Il disco del fonografo può essere considerato come la prima memoria elettrica a sola lettura (ROM). L'introduzione della comunicazione radio si basa principalmente sul contributo di James Clerk Maxwell,il quale, nel 1865, codificò precedenti ricerche in una teoria consistente dell'elettromagnetismo, ora conosciuta come equazioni di Maxwell. La spinta in avanti più importante fu data dall'intuizione di Maxwell circa l'esistenza di onde elettromagnetiche che si potevano propagare nello spazio. Ecco un caso in cui la teoria precede l'esperimento, dal momento che soltanto ventitré anni più tardi Hertz produsse queste onde sperimentalmente. Marconi fu il primo a sfruttare le onde hertziane,come esse vennero poi chiamate. Nel 1896 Marconi riuscì a trasmettere queste onde e riceverle a due migliadi distanza. Il telegrafo senza filiebbe la sua umile origine in questi esperimenti. L'era del tubo a vuoto L'era del tubo a vuoto abbraccia la prima metà del ventesimo secolo; l'elettronica moderna si concretizzò tecnologicamente in questo periodo. L'origine del termine "elettronica" si può attribuire a H. A. Lorentz, il quale, nel 1895,postulò l'esistenza di particelle cariche, che egli chiamò elettroni (impiegando * Anche se l'invenzione è attribuita a Morse, il primo sistema operante molto diffuso fu sviluppato in Gran Bretagna da William Thornson, in seguito divenuto Lord Kelvin, e da Sir Charles Wheatstone.

Breve storia dell'elettronica

3

così di nuovo la parola usata dagli antichi Greci per l'ambra). Due anni più tardi J.J. Thompson verificò sperimentalmente l'esistenza degli elettroni. In quello stesso anno Braun costruì il primo tubo elettronico, un tubo a raggi catodici (CRT) primitivo. La scoperta dei tubi a vuoto

Nel 1904 Fleming inventò un dispositivo a due elelpenti, il diodo, che egli chiamò va/vola. Esso consisteva in un filo metallico riscaldato, il filamento, che emetteva elettroni (l'effetto Edison) ed era posto a breve distanza da una placca metallica.Tutta quanta la struttura era posta sotto vuoto. Una tensione positiva dalla placca al catodo (filamento) produceva un passaggio di corrente; mentre, applicando una tensione negativa,la corrente si riduceva a zero. Questa proprietà unidirezionale della valvolala rendevano utile come rivelatore di segnali senza fili (radio). Due anni dopo Pickard usò un cristallo di silicio con un "baffo di gatto" (un filo appuntito pressato nel silicio)come rivelatore. Questo fu il primo diodo a semiconduttore; tuttavia, esso era inaffidabile e fu presto abbandonato. Così l'elettronica dei semiconduttori sembrava morire prematuramente nel 1906. L'invenzione dell'audion (triodo) di De Forest nel 1906fu un primo successo nei primi passi dell'elettronica. Infatti, si può capire facilmente che l'elettronica, come la conosciamooggi,non esisterebbe senza l'invenzione del triodo. L'audion di De Forest consistevain un terzo elettrodo (la griglia) inserito tra la placca e il catodo della valvola di Fleming. La tensione della griglia controllava il flusso delle cariche tra placca e catodo. Un piccolo cambiamento nella tensione della griglia causava una variazione maggiore nella tensione della placca e, per questo, l'audion è il primo amplificatore. Il triodo è stato H primo dispositivo a mostrare la proprietà circuitale, che oggi chiamiamo di generatorecomandato o dipendente. Poiché manteneva la proprietà unidirezionale della valvola, anche H triodo aveva le proprietà di un interruttore controllato. Oggi, in pratica, tutti i circuiti elettronici utilizzano dispositivicon caratteristiche sia di generatore sia di interruttore comandato.

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~II

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Applicazioni

circuitali

iniziali

Verso H19H i miglioramenti tecnologici - un vuotomiglioree un catodorivestitodi ossido- resero l'audion un dispositivoaffidabile, dando Hvia così all'era dell'elettronica vera e propria *. Le prime applicazioni dei tubi a vuoto furono le comunicazioni telefoniche e radio e, nello stesso tempo, nel 1912, negli Stati Uniti, fu fondato l'lnstitute of Radio Engineers (IRE). Va reso omaggio all'immaginazione e lungimiranza dei primi ingegneri,i quali si resero conto immediatamente dell'importanza della radio e formarono la propria associazione professionale. Nel 1884 venne fondato l'American Institute of Electrical Engeneers (AlEE), focalizzato sugli interessi tradizionalidegli ingegneri elettrotecnici. Nel 1963entrambe le associazionisi fusero in una sola organizzazione, l'lnstitute of Electrical and Electronic Engeneers (IEEE), un'operazione che rifletteva mezzo secolo di progressi nella professione. Mediante l'uso dei semplici diodi e triodi disponibili, l'ingegnosità dei primi inge* Per coincidenza

il Prof. Millman

è nato nello stesso anno.

4 Prologo

gneri portò all'invenzione di molti nuovi circuiti. Tra questi sono degni di nota gli amplificatori in cascata, gli amplificatori a reazione positiva (Armstrong, 1912*), gli oscillatori (De Forest, 1912), l'eterodina (Armstrong, 1917) e i multivibratori (EcclesJordan, 1918). L'oscillatore è stato il primo sistema in grado di generare segnali elettrici utilizzando unicamente dispositivi elettronici. La crescita del guadagno degli amplificatori sia in cascata sia che a reazione positiva, unitamente alla traslazione di frequenza consentita dall'eterodina, portò a una migliore elaborazione dei segnali e favorì la rivelazione di segnali deboli. I primi multivibratori sono stati i precursori dei moderni FLIP-FLOP e dei generatori di clock. Industrie elettroniche

L'amplificatore ebbe quasi subito un'applicazione commerciale nella telefonia a grande distanza. I progressi nella tecnologia del tubo a vuoto prodotti dalle compagnie telefoniche dettero impulso a una nuova importante industria - la radiodiffusione commerciale.Nel 1920,a Pittsburgh in Pennsylvania,fu creata la stazione KDKA dalla Società Elettrica Westinghouse. Soltanto quattro anni più tardi c'erano cinquecento stazioni negli Stati Uniti e verso il 1926la rete di radiodiffusione era una realtà. Nello stesso tempo la radiodiffusione entrò nel mondo industriale. Le industrie elettroniche** appartengono a uno o più dei seguenti gruppi: componenti, comunicazioni, controllo e calcolo. Componenti All'inizio,le industrie di componenti nacquero per produrre i vari tipi di dispositivielettronici come pure gli elementi circuitali passivi (resistenze, condensatori, induttanze, trasformatori ecc.). Ingegneri e scienziati di queste organizzazioni raggiunsero progressi significativi sviluppando dispositivi nuovi e migliori. Questi includevanoil catodo a riscaldamento indiretto, i tetrodi e pentodi, ottenuti dal triodo introducendo un quarto e poi un quinto elettrodo, e i tubi a gas come il thyratron. Con dispositivinuovi e migliorati furono inventati nuovi circuiti che fornivano sintonia a singolo accordo, controllo automatico di guadagno (AGC) e il funzionamento come ricevitore multibanda. Comunicazioni I segnali radio sono trasmessi più convenientemente a frequenze superiori ai 500 kHz. Poiché molto spesso la frequenza dei segnali che rappresentano l'informazione è notevolmente al di sotto dei 500 kHz, questi segnali devono essere codificatie traslati a frequenze di trasmissione più alte mediante un processo chiamato modulazione. I primi sistemi di radiodiffusione usavano la modulazione di ampiezza (AM). Per migliorare la fedeltà e ridurre l'effetto dell'interferenza atmosferica, Armstrong*** (1930) concepì e sviluppò la modulazione di frequenza (FM). La televisionein bianco e nero iniziò nel 1930,basandosi sull'iconoscopio di Zwory* Armstrong si laureò presso la Columbia University in quel periodo. ** L'attività di molte aziende coinvolge più di una di queste categorie, spesso con consociate o divisioni che si identificano con un gruppo. *** Le date indicano l'inizio della divulgazione e non necessariamente il pubblico riconoscimento o il rilascio del brevetto.

Breve storia dell'elettronica

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kin e ilcinescopio(rispettivamente i primi tubi di telecamera e di riproduzione). Verso il 1940negliStati Uniti la televisione era poco usata e la sua diffusione venne ritardata dalla secondaguerra mondiale. La televisione a colori arrivò intorno al 1950e durante gli anni sessanta divenne il sistema televisivo dominante. Le tecniche usate nella radiodiffusione vennero adattate per altre applicazioni. I sistemitelefonicifurono trasformati in una delle forme più importanti di comunicazione elettronica. A loro volta, i circuiti sviluppati per la telefonia elettronica furono largamente usati nei sistemi radio ricevitori. Il Radar e il Loran (apparsi durante la seconda guerra mondiale) utilizzavanole comunicazioni radio come aiuti alla navigazione sia aerea che marittima. Tutte le innovazionisummenzionate richiesero l'invenzione di nuovi circuiti.Importanti conquiste comprendevano l'amplificatore a reazione negativa inventato da Black (1927), illimitatore FM e il discriminatore FM. Un altro importante sviluppo circuitale fu il generatore a dente di sega, che fornÌ la base dei tempi lineare per i primi oscilloscopie per i sistemi di deflessione televisivi.Molti dei sistemidi comunicazionepiù recenti utilizzarono segnali discreti (impulsivi)piuttosto che segnalicontinui. Di conseguenza,fu sviluppata una varietà di circuiti impulsiviper la temporizzazione e la sincronizzazionenecessarie nella televisione, nel radar ecc. e per la generazione di impulsie la modulazione. Inoltre, i nuovi sistemi di comunicazione operavano a frequenze più alte e si basavano su nuovi dispositivia microonde, come il klystron,il magnetron e i tubi a onda progressiva (TWT). Calcolatori Sebbene siano i transistori e i circuiti integrati ad avere dato impulso allo straordinario sviluppo dell'industria dei calcolatori, questi affondano le loro origini nell'era del tubo a vuoto. C'è un grandissimo interesse per le macchine di calcolo da oltre trecento anni. Nel 1633Schickard descrisse (in una corrispondenza con il suo amico Keplero, l'astronomo) un calcolatore meccanico in grado di eseguire l'addizione, la sottrazione, la moltiplicazione e la divisione. Egli progettò una ruota con dieci denti dei quali uno era più lungo degli altri e questa ruota era posta meccanicamente vicinaa un'altra simile.Dopo che la prima ruota aveva fatto dieci incrementi angolari, corrispondenti alle dieci cifre, il dente più grande agganciavala ruota più vicina e dava luogo a un solo incremento. In altri termini, egli inventò il riportoin aritmetica. Quasi negli stessi anni, Pascal (1642) e Leibnitz (1671) ebbero idee simili.Tuttavia, il primo tentativoveramente serio per costruire un calcolatore meccanicovenne fatto pressappoco duecento anni dopo (1833)da Babbage,un professore di matematica in Inghilterra. La "macchina analitica",come si chiamò il computer di Babbage, conteneva tutti gli elementi di un moderno calcolatore digitale. Essa faceva uso di schede perforate inventate trenta anni prima da Jacquard, un fabbricante francese di articoli da tappezzeria - per l'ingresso e l'uscita, conteneva sia la memoria sia l'unità aritmetica ed era una macchinacon programma memorizzato. Tuttavia, la tecnologia del tempo non era

di fatto in grado di convertire le sue idee in una macchina funzionante *.

Il primo calcolatore funzionante fu elettromeccanico, non elettronico, e venne costruito dagli ingegneri della IBM sotto le direttive del professor Aiken della Università di Harvard nel 1930.Venne chiamato il "calcolatore automatico IBM a sequenza controllata, Mark l''. Era lungo 17metri e alto 3 ed era piuttosto rozzo. Tuttavia, venne * I tentativi di Babbage non furono del tutto vani. Il suo tentativo di realizzare il calcolatore dette luogo a molti progressi nel funzionamento delle macchine utensili che ebbero un importante impatto sull'industria manifatturiera nell'Inghilterra vittoriana.

6 Prologo

usato per fare calcoli per oltre quindici anni. Il primo calcolatore elettronico fu completato nel 1946 da Eckert e Mauchly presso la Scuola Moore di Ingegneria Elettrica nell'Università di Pennsylvania. Esso si chiamò ENIAC, un acronimo per integratore numerico e calcolatore elettronico. Veniva usato per il calcolo di tabelle balistiche per le forze armate e non era un calcolatore per uso generale. Conteneva 18000 tubi a vuoto, era contenuto in 40 armadi e riempiva una stanza che misurava circa lOmetri per 13.Von Neumann, un consulente di questo progetto, suggerì che il computer usasse numeri binari e logica booleana e contenesse un programma memorizzato per le operazioni basilari. Nel 1946 la IBM introdusse sul mercato il primo piccolo calcolatore elettronico commerciale,il modello 603. Due anni dopo, uscì il primo calcolatore digitale per uso generale, l'IBM 604, di cui furono venduti in dodici anni oltre 4000 esemplari. Per questo motivo, il 1948si considera l'anno di inizio dell'industria del calcolatori (per caso il transistore fu inventato in quello stesso anno). In questo periodo, molte istituzioni, incluse le Università di Harvard, Princeton, Pennsylvania, il Massachusetts Institute of Technology (MIT), il Courant Institute dell'Università di New York e l'lnstitute for Advanced Studies, si occuparono di ricerca nel campo dei calcolatori. Finanziati da vari enti governativi,questi ingegneri e scienziati svilupparono i concetti hardware e software che vennero usati successivamente nei calcolatori commerciali di uso generale. L'IBM 650, considerato il cavallo di battaglia dell'industria, venne introdotto nel 1954. Questa e altre macchine a tubi a vuoto vendute da altre compagnie sono conosciute come calcolatoridigitali della prima generazione.Durante l'ultima parte dell'era del tubo a vuoto furono sviluppati anche i calcolatori analogici.Tali macchine, usate per risolvere grandi sistemi di equazioni differenziali, si basano sulla costruzione di circuiti elettronici il cui comportamento è governato da un insieme di equazioni analoghe a quelle da risolvere.L'analizzatore differenziale, sviluppato da Bush al MIT, è stato il primo calcolatore analogico elettromeccanico. Le versioni elettroniche divennero una realtà con l'invenzione degli amplificatori operazionali*. Controlli Le industrie elettroniche di controlli affondano le loro origini nella "elettronica industriale", che può essere definita come "l'uso dei dispositivi elettronici nel controllo di macchine (piuttosto che nelle comunicazioni e nei calcolatori)". I Thyratron, i diodi a gas, i raddrizza tori a vapore di mercurio e i tubi per alta tensione e alta potenza furono i dispositivi utilizzati. Questi dispositivi furono usati in circuiti per la conversione (raddrizzamento) da alternata a continua (convertitori ac-dc) ad alta tensione e alta potenza, in convertitori dc-ac (inverter) e in trasmettitori ad alta tensione. Le applicazioni comprendevano i controlli di velocità per motori elettrici, i regolatori di tensione, i riscalda tori a induzione e a radio frequenza e una grande varietà di controlli di processo industriale. In quel periodo fu inoltre introdotto l'uso di calcolatori (analogici) nei sistemi di controllo.

Analisi e teoria Oltre allo sviluppo industriale si ebbe un importante progresso in campo analiticoe teorico. Quello che segue è un breve cenno alla serie delle conquiste fatte. L'analisicircuitale e le tecniche di sintesi furono sviluppate, in modo notevole, da * Il termine "amplificatore operazionale" venne coniato da J.R. Ragazzini, un collega di Millman alla Columbia University e più tardi uno dei professori di Grabel alla New York University.

Breve storia dell'elettronica

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gruppi appartenenti ai laboratori BelI e al MIT. Bode e Nyquist svilupparono la teoria dell'amplificatore reazionato e trasformarono il concetto del circuito di Black in modo di garantirgli rinomanza e largo impiego. Shannon negli Stati Uniti e Kotelnikov nell'Unione Sovietica svilupparono indipendentemente la teoria dell'informazione, che avrebbe avuto grande impatto sulla trasmissione dati. Essa trovò una particolare applicazione nella tecnica di modulazione impulsivacodificata (PCM) proposta da Reeves. L'uso dell'algebra booleana nell'analisi e progetto dei circuitidi commutazione fu un altrocontributo di Shannon (1937).In Gran Bretagna il concetto di macchina di calcolo universalevenne proposto da Turing, mentre Wilkessviluppòla microprogrammazione. I sistemi a dati campionati, introdotti da Ragazzini e Zadeh, vennero impiegati in applicazioni di controllo, aprendo la via ai sistemi di controllo basati sull'uso dei calcolatoridigitali. Lo studio dei materiali, in particolare l'applicazione della meccanica quantistica ai solidi,condusse a nuovidispositivie più tardi all'invenzione del transistore. I trasduttori, dispositivimediante i quali la luce, il suono, la pressione, la temperatura e altre variabilisono convertite in segnali elettrici e viceversa, vennero introdotti per benefidare dei vantaggi offerti dall'elettronica. Nuove forme di strumentazione (oscilloscopi, voltmetri a valvola ecc.) vennero sviluppati sia per migliorare grazie all'elettronica le tecniche di misura sia per il collaudo degli apparati elettronici stessi. Gli anni '50 furono un decennio di transizione. Segnarono la fine dello sviluppo di sistemicon tubi a vuoto sofisticati e l'inizio dell'era del transistore. Oggi il campo è dominato interamente dai dispositivia semiconduttore, eccezione fatta per le applicazioni ad alta tensione e alta potenza. In verità, i tubi a vuoto sono stati praticamente eliminati da tutti i programmi di studio di ingegneria elettronica.

L'era del transistore

io!

L'età dell'elettronica dei semiconduttori iniziò nel 1948 con l'invenzione del transistore. Tuttavia, questa era ebbe origine dal lavoro svolto in precedenza, tra il 1920 e il 1945. Durante questo periodo, lo studio delle proprietà elettromagnetiche di semiconduttori e metalli era stato principalmente competenza dei fisici. Notevoli contributi furono dovuti a Block, Davydov, Lark-Horovitz, Mott, Schottky, Slater, Sommerfeld, Van Vleck, Wigner, Wilson e altri nelle università di tutto il mondo*. Ci furono anche tentativi di fabbricare dispositivi elettronici a stato solido. Lillienthal e Heil, negli anni '30 ricevettero un brevetto ciascuno per dispositivi di amplificazione allo stato solido che furono i precursori del transistore a giunzione e di quello a effetto di campo MOS (FET). Tuttavia, questi dispositivi avevano prestazioni poco soddisfacenti; apparentemente non se ne comprendeva la necessità e, con tutta probabilità, neppure l'inventore poteva spiegare la teoria alla base del dispositivo. Un maggiore incentivo per lo sviluppo dei dispositivi allo stato solido non arrivò fino al 1945**. I tubi a vuoto avevano notevoli limiti: si consumava energia anche quando * Siater e Sommerfeld furono due professori di Millman. ** I diodi a giunzione, tuttavia, vennero ampiamente usati nelle comunicazioni a microonde durante la seconda guerra mondiale.

8 Prologo

non venivano usati e i filamenti si bruciavano, rendendo necessaria la sostituzione del tubo. M. J. Kelly, allora direttore della ricerca e in seguito presidente dei Laboratori Bell, capì che una rete telefonica più vasta e affidabile avrebbe richiesto commutatori elettronici piuttosto che elettromeccanici e amplificatori migliori. Egli formò un gruppo di ricerca sui componenti allo stato solido comprendente fisici teorici e sperimentali, un ingegnere elettronico e un chimico fisico, il quale lavorava nel laboratorio insieme agli esperti di metallurgia. La citazione seguente è tratta dall'autorizzazione al lavoro di questo gruppo: "La ricerca compiuta in questo caso ha come scopo quello di ottenere una nuova conoscenza che possa essere utilizzata nello sviluppo di componenti e di elementi dei sistemi di comunicazione completamente nuovi e perfezionati". Uno dei più importanti traguardi fu il tentativo di sviluppare un amplificatore allo stato solido in grado di eliminare i difetti del tubo a vuoto. Scoperta del transistore bipolare a giunzione

Nel dicembre del 1947fu realizzato un esperimento nel quale due sonde di filo d'oro poste l'una vicinoall'altra erano pressate sulla superficie di un cristallo di germanio. Si osservòche la tensione di uscita alla sonda "collettore", rispetto alla "base" di germanio, era maggioredella tensione di entrata alla sonda "emettitore". Brattain e Bardeen si resero conto che questo era l'effetto che avevano sperato di trovare e che era nato* l'amplificatore allo stato solido nella forma del transistore a punto di contatto**. Le prestazioni dei primi transistori erano molto scarse Essi avevano un guadagno e un'ampiezza di banda bassi,erano rumorosi e le loro caratteristiche variavano molto da dispositivoa dispositivo.Shockley,ilcapo gruppo, capì che le difficoltànascevano dalle punte di contatto. Egli propose il transistore a giunzione e sviluppò quasi immediatamente la teoria del suo funzionamento. I nuovi dispositivi facevano affidamento su portatori di carica di entrambe le polarità; per questo erano dispositivibipolari. I due portatori erano i famosi elettroni e altre "particelle strane". L'esistenza di queste particelle strane si poteva spiegare soltanto con la meccanica quantistica; inoltre si comportavano come se avessero carica positiva. Esse vennero chiamate "lacune" poiché rappresentavano zone nel cristallo in cui mancavano gli elettroni. La teoria di Shockleyprevedeva che si potevano raggiungere densità di corrente elevate applicando piccolipotenziali.Fu subito evidente la possibilità di ottenere importanti dispositivi di uso pratico senzafilamenti riscaldati. Le proprietà elettriche dei transistori si basavano su un contenuto specifico di impurezze attentamente controllato (nell'ordine di 1 atomo di impurezza per 100 milionidi atomi di germanio). Di conseguènza, non si potevano fabbricare dispositivi affidabilise non avendo a disposizione cristalli eccezionalmente puri a cui aggiungere le necessarie impurezze. Teal, nei Laboratori Bell (1950), realizzò la crescita di monocristallidi germanio aventi un contenuto di impurezze minore di una parte per miliardo. Questo risultato portò alla fabbricazione dei primi transistori a giunzione accresciuta a cui, un anno dopo, seguirono i transistori a giunzione di lega. Così, nel

. L'invenzione fu annunciata

durante una conferenza stampa il 30 giugno 1948 e fu relegata nelle ultime pagine dei pochi giornali che riportano la notizia.

.. l.R.

Pierce, in seguito direttore dei primi progetti di comunicazioni via satellite, coniò il termine "transistor" come contrazione di transfer e resistor.

Breve storia dell'elettronica 9

1951,tre anni dopo la scoperta dell'amplificazione in un solido, i transistori vennero messi in commercio. L'American Telephone and Telegraph (AT&T)* prese una decisione importantissima - quella di non tenere segrete queste scoperte. I membri del suo staff tecnico tennero simposiper condividere le loro conoscenze con i professori (i quali ne resero partecipi i loro studenti) e con ingegneri e scienziati di altre aziende. Vennero offerti brevetti a qualsiasi azienda interessata alla produzione industriale di transistori. Le aziende che producevano tubi a vuoto, quali RCA, Raytheon, GeneraI Electric, Westinghousee Western Electric (il ramo industriale della AT&T), furono le prime a fabbricaretransistori. Altre aziende esistenti e di nuova formazione che compresero il potenziale di questi dispositivipresto iniziarono a produrli. Una di queste aziende, la Texas Instruments, nel suo nuovo laboratorio per i dispositivia stato solido, a capo del quale era Teal, nel 1954 cominciò a produrre transistori di silicio. Il silicio consentiva il funzionamento fino a 200°C, mentre le variazioni nelle caratteristiche limitavano i dispositivi di germanio ai 75°C. Oggi la maggioranzaschiacciante dei dispositivi a semiconduttore è fabbricata in silicio. A Bardeen, Brattain e Shockleyfu assegnato il premio Nobel per la fisica nel 1956 per la loro invenzione del transistore e per il loro contributo alla comprensione dei semiconduttori. Questo è stato il primo premio Nobel assegnato per un dispositivo ingegneristicoin quasi cinquanta anni. Invenzione del circuito integrato

Nel 1958,poco tempo dopo essere entrato a far parte della Texas Instruments, Kilby concepìl'idea del circuito monolitico, cioè l'idea di utilizzare il germanio o il silicioper costruire un intero circuito. Le resistenze dovevano essere realizzate con il substrato del semiconduttore oppure diffondendo un semiconduttore in un altro. Usando uno strato metallico e il semiconduttore per le armature e uno strato di ossido per il dielettrico,Kilbyformò i condensatori (prese anche in considerazione il condensatore a giunzione).Per dimostrare che la sua idea era realizzabile,egli costruì un oscillatore e un multivibratoredi germanio, realizzando le interconnessioni del circuito con un filo d'oro saldatotermicamente. Tuttavia, nella divulgazionedel brevetto, egli indicò che le connessioni del componente si potevano ottenere mediante la deposizione di uno strato conduttore. Kilbyannunciò il suo circuitosolido [in seguito chiamato il circuito integrato(IC)] durante un convegno IRE, nel 1959. All'incircanello stesso periodo, anche Noyce** ebbe l'idea del circuito monolitico per fare "più dispositivisu un solo pezzo di silicio,allo scopo di realizzare le interconnessionitra i dispositivicome parte del processo industriale e ridurre in tal modo la dimensione,il peso ecc., come anche il costo per elemento attivo". Egli indicò in che modo si potevano fabbricare le resistenze e i condensatori, come si potevano usare giunzionipn per isolare i dispositivil'uno dall'altro *** e come si potevano ottenere le

.

I laboratori

t

Bell sono il ramo di ricerca della AT&T.

** Noyce era in quel tempo il direttore della Ricerca e Sviluppo presso la Fairchild Semiconductor. Successivamente, fu uno dei fondatori e presidente del consiglio di amministrazione della Intel. **. Lehovec, direttore della ricerca presso la Sprague Electric Company, concepì indipendentemente idea per la quale gli venne concesso un brevetto nel 1959.

questa

lO Prologo

interconnessioni tra i componenti del circuito, facendo depositare metallo evaporato attraverso aperture praticate in uno strato di ossido. La vera chiave per la fabbricazione dei circuiti integrati fu l'introduzione del transistore planare e la produzione di massa. Il processo planare usava transistori in cui le regioni di base e di emettitore erano diffuse nel collettore. I primi transistori diffusi vennero sviluppati da Hoerni alla Fairchild (1958). Un p(i.SSO importante per una produzione soddisfacente fu la passivazione delle giunzioni per mezzo di uno strato superficiale di ossido. Le tecniche di fabbricazione usate furono la litografia e la diffusione, sviluppate in precedenza da Noyce e Moore. La produzione di massa consisteva nel realizzare molti "chip", come si definivano colloquialmente i circuiti integrati, su una sola fetta di silicio. Verso il 1961 sia la Fairchild sia la Texas Instruments producevano commercialmente circuiti integrati, seguite poco tempo dopo da altre aziende. Le industrie microelettroniche

Oggi,oltre ai singolicircuiti, si possono fabbricare sottosistemi e perfino interi sistemi contenenti migliaiadi componenti su un solo chip di silicio.Il termine "microelettronica" designa il progetto e la fabbricazione di questi circuiti integrati ad alta densità di componenti. Nel 1964 Moore* notò che il numero dei componenti su un chip era raddoppiato ogni anno dal 1959,quando venne presentato il transistore planare. Egli predisse giustamente che questo andamento sarebbe continuato. Un grosso chip ha un'area di 3 per 5 mm2soltanto e uno spessore di 0.3 mm (circa tre volte lo spessore di un capello umano). Verso il 1984tali chip potevano contenere più di 400 000 componenti, corrispondenti. a 30000 componenti per millimetro quadrato. Non è facile giustificare tali dati, in particolare perché i circuiti integrati vengono prodotti in uno stabilimento industriale e non in condizioni di laboratorio. Le seguenti date danno un'indicazione approssimativa dell'aumento dei componenti per chip: 1951 - componenti

discreti;

1960- integrazione su piccola scala (SSI), meno di 100 componenti; 1966- integrazione su media scala (MSI), da 100 fino a 1000componenti; 1969- integrazione su larga scala (LSI), da 1000fino a lO000 componenti; 1975- integrazione su larghissima scala (VLSI)**, oltre lO000 componenti. Le industrie elettroniche si possono dividere in produttrici di chip e utilizzatrici di chip. Le produttrici di circuiti integrati costituiscono il settore più importante delle industrie di componenti, mentre le utilizzatricidi chip sono molto spesso le aziende che producono apparecchiature per comunicazioni, di controllo e calcolatori. Dall'invenzione dei circuiti integrati, molte innovazioni hanno contribuito alla crescita della microelettronica. Parecchie di queste sono descritte nella parte rimanente di questo paragrafo. * Moore era allora direttore della ricerca presso la Fairchild e in seguito fu un fondatore e presidente della Intel. ** Intorno al 1984 moltissimi chip VLSI contenevano 100000 o più componenti.

Breve storia dell'elettronica

11

R transistorea effettodi campo Molto del lavoro che portò all'invenzione dei transistori bipolari implicavastudi dell'effetto che un campo elettrico applicato aveva sulla conducibilitàdei semiconduttori. Nel 1951,Shockleypropose il transistore a giunzione a effetto di campo (JFET) ma i primi tentativi di fabbricazione fallirono per l'impossibilitàdi ottenere una superficie stabile. Questa difficoltàvenne superata con l'introduzione del processo planare e della passivazione con ossido di silicio (SiOz). Nel 1958 venne prodotto il primo JFET da Teszner in Francia. Le tecniche usate per rendere affidabilii JFET portarono a un dispositivoanche più importante,il transistore a effetto campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET). La struttura consiste in un elettrodo metallico (il gate) posto su SiOztra due elettrodi nel semiconduttore (source e drain). La corrente nel "canale" tra source e drain può esserecontrollata applicando una tensione appropriata tra il gate e il semiconduttore. Atallae Kahng (1960),presso i laboratori Bell,riportarono il primo dispositivosiffatto. Due anni dopo, a Hofstein e Heiman della RCA fu riconosciuto un brevetto per il loro sviluppodi MOSFET adatti alla fabbricazione integrata. Successiviperfezionamenti nel processodi fabbricazionee nel progetto del dispositivo e lo sviluppo dell'industria dei calcolatorihanno fatto sì che i dispositivi MOS siano i transistori maggiormente usati. Circuitiintegratidigitali La crescita dell'industria dei calcolatori dette impulso allo sviluppodi nuovi circuiti integrati; a loro volta, circuiti integrati di nuova concezione portarono a nuove strutture di calcolatori. Due dei maggiori progressi consistettero in nuove configurazionicircuitali e memorie a semiconduttore. Velocità,consumodi energia e densità di componenti sono caratteristiche importanti dei circuitiintegrati digitali. Una prima famiglia logica bipolare era costituita dalla logicaa transistori accoppiati, inventata da Buie (1961) della Pacific Semiconductor*, da cui derivò la logicatransistore-transistore (TTL) standard. Un'importante caratteristicadellaTTL è l'uso dei transistori con emettitori multipli per aumentare la densità di componenti.Una linea di prodotti bipolari ad alta velocità, conosciuta come logicaa emettitoriaccoppiati(ECL), venne introdotta dalla Motorola nel 1962.Chip bipolari a densitàmolto elevata si ottennero utilizzando transistori con collettori multipli (1972). Sviluppatasimultaneamente da Hart e Slob della Philips (Olanda) e da Berger e Wiedmandella IBM (Germania), questa nuova tecnologia è chiamata logicaintegrataa iniezione (FL).

L'uso dei MOSFET fu subito allettante perché si potevano ottenere densità di componentimolto elevate. In origine, una produzione affidabileimpiegava i dispositivi PMOS - cioè i MOSFET il cui funzionamento si basa sul flusso di lacune. Metodi perfezionati di fabbricazione portarono all'uso di dispositivi metallo-ossido-semiconduttore a canale n (NMOS). In questi transistori la conduzione avviene tramite gli elettroni e ciò dà come risultato una maggiore velocità di funzionamento. Attualmente la tecnologiaNMOS è predominante. La struttura metallo-ossido-semiconduttore complementare (CMOS), una configurazione circuitale utilizzante sia dispositivi PMOS sia NMOS, venne utilizzata per la prima volta negli orologi digitali grazie al suo consumo di energia estremamente ridotto.Recenti progressi, quali l'uso di gate di polisilicioe la riduzione delle dimensioni del dispositivo, hanno reso i circuiti CMOS una delle più importanti tecnologie

.

La Pacific Semiconductor

l,

fa ora parte della TRW.

f" I

12 Prologo

digitali degli anni '80. Molto probabilmente la tecnologia CMOS avrà la meglio su quella NMOS verso il 1990. È proprio nelle memorie a semiconduttore che i MOSFET si dimosttano superiori. Le memorie ad accesso casuale (RAM), in grado sia di immagazzinare sia di restituire i dati (scrivere e leggere, rispettivamente), vennero prima sviluppate usando transistori bipolari e poste in commercio nel 1970. Queste prime RAM immagazzinavano circa 1000 bit d'informazione. Con l'uso della tecnologia MOS, nel 1973 erano disponibili RAM a 16000 bit, nel 1978chip a 64000 bit e nel 1982RAM a 288 000 bit. Nel 1986

erano disponibili chip da 1 000 000 di bit. Le memorie a sola lettura (ROM), usate per tabelle di ricerca nei calcolatori (per esempio, per memorizzare i valori di sinx),vennero introdotte la prima volta nel 1967. Sviluppi successivi inclusero ROM programmabili (PROM) e PRO M cancellabili (EPROM), in cui si potevano rimuovere (cancenare) i dati immagazzinatie immagazzinarne altri. Oltre la metà dei circuiti integrati MOS prodotti nel 1970fu usata nella fabbricazione dei calcolatori.Nel tentativo di standardizzare ilprogetto dei chip pur mantenendo i circuitibrevettati richiesti dai clienti, parecchi produttori di circuitiintegrati proposero la segmentazione dell'architettura del calcolatore nelle sue funzioni circuitali. Questo concetto portò al microprocessore,sviluppato per primo da M.E. Hoff della Intel (1969).Microprocessori a quattro bit vennero introdotti dalla Intel (1971), seguiti un anno dopo da un dispositivo a 8 bit. Presto, anche altri costruttori produssero microprocessori e, verso la fine del 1970,furono disponibili unità a 16bit. Lo sviluppo del microprocessoreportò al "computer su singolo chip". A Cochran e Boone della Texas Instruments ottennero un brevetto, registrato nel 1971, per un microcomputer a singolochip, sebbene 1'8048della Intel sia stato il primo prodotto disponibile commercialmente. Un altro sviluppo che nasce dalla tecnologia dei MOS è il dispositivoad accoppiamento di carica (CCD). Il CCD, inventato da Boyle e Smith presso i laboratori Bell (1970),consiste in un dispositivo MOS in cui si forma una lunga catena di gate molto vicinil'uno all'altro tra il drain e il source. Le cariche introdotte nel canale sotto i gate, possono essere trasferite da un gate al successivoapplicando tensioni di gate appropriate. Tali dispositivisono stati usati per memorie e registri con una RAM da 64 000 bit fabbricata nel 1977. Recentemente, i CCD hanno trovato applicazione nell'industria delle telecamere, nella elaborazione dell'immagine e nelle comunicazioni. ~

Circuitianalogici Il primo sviluppo importante nei circuiti integrati analogicivenne nel 1964quando Widlar, allora appartenente alla Fairchild Semiconductor, sviluppò il primo amplificatoreoperazionale(il /-LA709).Da allora l'amplificatore operazionale è divenutoilcavallodi battaglia nell'elaborazione del segnale analogico. Successivamente, sono stati sviluppati altri circuiti e sottosistemi quali moltiplicatori analogici, convertitori digitale-analogico(D/A) e analogico-digitale (AID) e filtri attivi. La maggior parte diquesti circuitiimpiega transistori bipolari, ma dalla fine degli anni '70 sono stati usati anche i dispositivi MOS. Tecniche di fabbricazione L'aumento della densità di componenti deve molto a coloro i quali migliorarono i processi di fabbricazione. Questi progressi includono la crescitaepitassiale (1960),la produzione delle maschere con fascio elettronico (1969)e l'impiantazioneionica (1971).La larghezzaminima delle geometrie realizzate sui chip,

Breve storia dell'elettronica 13

25 ,...mnel 1961,è attualmente inferiore a 2 ,...m.Poiché l'area diminuisce e la densità aumenta con il quadrato della dimensione lineare, possiamo prevedere che per la fine di questo decennio i circuiti avra,nno una densità di componenti oltre 600 volte superiore a quella dei primi circuiti integrati. Altri contributi per il progetto e la produzionedi circuiti integrati affidabili,è stato lo sviluppo del progetto assistito dal calcolatore (CAD) e del collaudo automatizzato. I programmi SPICE e SUPREM, elaborati presso l'Università della Califomia a Berkeley e presso l'Università di Stanford, rispettivamente, sono due strumenti CAD ampiamente usati. Dagli inizi degli anni '60 quando soltanto alcune aziende producevano circuiti integrati,l'industria si è sviluppata incredibilmente. Per esempio, nella SiliconValley* siformarono24 nuove industrie di microelettronica tra il 1967e il 1969soltanto. Verso il 1984oltre 100 ditte negli Stati Uniti erano occupate nella produzione di circuiti integrati. Industrie di comunicazioni e di controlli

Queste industrie hanno gradualmente adottato dispositivi elettronici allo stato solido. Ora quasitutte le apparecchiature sono transistorizzate, eccetto quelle che lavorano ad alta tensione o alta potenza. Sono utilizzatisia transistori discreti sia circuiti integrati. I componentidiscreti vengono usati soprattutto in applicazioni a media tensione o nel caso di applicazioni di potenza che includono una elettronica di tipo tradizionale "industriale"o di consumo (stadi di uscita audio, sistemidi accensione dell'automobile, interruttori di potenza per unità nastro, alimentatori ecc.). I circuiti integrati sono utilizzatiper moltissime altre applicazioni. L'industria delle comunicazioni è cambiata drasticamente a causa della microelettronica.Nel 1970la trasmissione dati costituiva una piccolissimafrazione del volume totale di tutte le comunicazioni.Dal 1980,tuttavia, la trasmissione digitaleha eguagliato o superato la trasmissione analogica. L'adozione diffusa della trasmissione PCM può essere direttamente attribuita alla microelettronica. I sistemi telefonici oggi impieganocircuiti integrati digitali per la commutazione e la memoria. Filtri attivi sia per la vocesia per la rivelazionedei toni nei sistemi di selezione a multifrequenza sono realizzaticon circuiti integrati analogici. Ovviamente, i satelliti per le comunicazioni divenneropossibili ed economicamente competitivi grazie alla microelettronica. L'introduzionedella comunicazione digitale ha portatd a molte innovazionicircuitali. Alcune di queste sono modificazioni ingegnose con cui i circuiti tradizionali sono stati adattati alle nuove tecnologie e usi. Altre sono nuove; tra queste vi sono i filtri a condensatoricommutati e i filtri digitali. Un settore dell'elettronica completamente nuovo, chiamato elaborazionedigitaledei segnali,siè formato grazie ai circuitiintegrati che hanno reso possibile il "connubio" tra comunicazionie calcolo. Analogamente, l'industria dei controlli è stata fortemente influenzata dall'introduzionedell'elettronica dei semiconduttori. In alcune aree tradizionali, quali i controlli di velocitàper motori, i raddrizzatori e gli inverter di potenza, il diodo controllato (SCR), un dispositivobipolare a tre giunzioni, ha sostituito il thyratron. All'inizio dell'era del transistore,nel controllo numerico delle macchine utensili vennero usati piccoli calco-

.

La Silicon Valley è situata a sud della baia di San Francisco nella contea di Santa Clara in Califomia.

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latori dedicati. L'automazione dei processi industriali venne resa possibile dai grandi calcolatori elettronici. L'introduzione dei microprocessori, dei microcomputer e di altri circuiti integrati digitali ha portato agli strumenti "intelligenti" e a una varietà in continuo aumento di sistemi digitali di controllo. Con la microelettronica, i calcolatori sono diventati componenti integranti dei sistemi di controllo. L'industria dei calcolatori

La conseguenzapiù sensazionale della crescita della microelettronica è stata la vera e propria creazione di un'industria completamente nuova - la moderna industria dei calcolatori. Mentre originariamente il calcolatore elettronico si basava sul tubo a vuoto, l'impatto della tecnologia a semiconduttore fu sentito immediatamente. II primo calcolatore transistorizzato, per applicazionispecifiche,venne realizzato da Cray*(1956).II calcolatore 709017094della IBM (1959) fu il primo calcolatore di uso generale della seconda generazione, cioè una macchina transistorizzata. I circuiti integrati ibridi (molti componenti discreti su di un unico substrato) caratterizzarono i calcolatoridella terza generazione (IBM 360 del 1964).Nello stesso tempo, anche altri produttori, inclusi Burroughs, Control Data e Univac, introdussero medi e grandi calcolatoricontenenti circuiti integrati. Le memorie a semiconduttore vennero utilizzate successivamentenelle macchine della terza generazione (IBM 370 del 1970). Nel 1965ebbe inizio un'altra rivoluzione nell'industria dei calcolatori, quando la Digital Equipment Corporation presentò il suo minicalcolatore PDP8, la prima macchina con un costo inferiore ai 20 000 dollari. Da allora, il minicalcolatore ha conquistato un ruolo di primaria importanza nell'industria, che ha coinvolto molte aziende di tutto il mondo. Negli anni '80, si è sviluppato ed è entrata in commercio la quarta generazione di macchine. Questi calcolatori impiegano chip VLSI sia per l'elaborazione sia per la memoria. Oggi, i calcolatori elettronici sono disponibili in una varietà di dimensioni che vanno dal microprocessore più semplice ai supercalcolatori in grado di eseguire decine di milioni di istruzioni al secondo. Molte innovazioni hanno permesso di ottenere velocità più elevate, una maggiore capacità di calcolo e una elaborazione più flessibile. Oltre a chip ad alta densità più rapidi, queste includono l'elaborazione parallela, il pipelining e nuove idee per i compilatori e gli assemblatori. Inoltre, l'uso in suddivisione di tempo e il calcolo distribuito hanno avuto un effetto importante sull'utilizzazione del calcolatore. L'impatto della microelettronicavenne espresso in modo assai efficace da Noycenel 1977:"Il microcalcolatoredi oggi, che costa circa 300dollari, ha una capacità di calcolo maggioredel primo grossocalcolatore elettronico, l'ENIAC. Esso è 20volte più veloce, ha una memoria più grande, è migliaia di volte più affidabile, consuma la potenza di una lampadina anziché quella di un locomotore, occupa 1/30000 del volume e costa 10000volte meno. È disponibile su ordinazione per corrispondenza o presso il vostro negozio di hobbystica".

* Cray è un fondatore della Control Data Corporation è in seguito fondò la Cray Computers, costruttrice dei più veloci "super calcolatori" attualmente disponibili.

Breve storia dell'elettronica

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Il futuro Durante la maggior parte della vostra vita, vi è stato possibile ricevere comunicazioni televisivein collegamento diretto da ogni parte del mondo o, addirittura da milioni di miglia nello spazio. Ciò che stupisce non è il fatto che questi sono eventi quasi quotidiani,ma che essisipossano verificare. È un fatto che desta sgomento considerare chequalcunoal Centro Spaziale Johnson può azionare un interruttore e dare istruzione a un veicolospaziaie lontano un miliardodi chilometri di mettere in funzione la sua telecamera,metterla a fuoco e inviare immagini sulla Terra (anche alla velocità della luceoccorronocirca due ore per trasmettere l'istruzione e ricevere i segnali). Niente di tutto questo sarebbe possibile senza le conquiste dell'elettronica, culminate nei circiti integratidescritti nelle due parti precedenti. Tuttavia, proprio come questa è storia i risultatiraggiunti indicano la direzione futura dell'elettronica. La capacità di trasmettere immagini televisive da un veicolo spaziale esige che gli apparatidi comunicazione,di calcoloe di controllo agiscano all'unisono, come una sola entità.È evidente che le aree dell'elettronica si stanno fondendo e i sistemi elettronici "intelligenti"che ne risultano sono al centro dell'età dell'informazione*. Il connubiotra comunicazionisu larga scala e calcolatori a basso costo ha già iniziato a penetrare quasi in ogni aspetto della società. Oltre alle tradizionali applicazioni industriali,l'efficienzae la relativa facilità con cui l'informazione può essere immagazzinata,ricuperata, manipolata e trasmessa ha influito su di noi nelle nostre case, nei nostri posti di lavoro e sui nostri mezzi di comunicazione. L'automazione d'ufficio (sistemi di elaborazione dei testi, posta elettronica ecc.) sta trasformando il nostro mododi lavorare e i luoghi in cui operiamo. La gestione dell'energia, il controllo degli apparecchi, i sistemi di sicurezza, la televisione via cavo e il "personal computer" costituisconoalcune applicazioni microelettroniche nelle case. Il sistema di controllo computerizzatoBayArea Rapid Transit (BART) della metropolitana di San Francisco e l'accensioneelettronica, il controllo dell'emissione dei gas e i sistemi di sicurezza delle automobilisono esempi del forte impatto dell'elettronica sui trasporti. La diffusionedell'elettronica aumenterà a tal punto che Noyce ha predetto che verso la fine di questosecolo l'elettronica sarà come il motore elettrico di oggi: talmente diffuso che nessunogli fa più caso. Noi crediamo che le industrie elettroniche continueranno a essere le quattro C: componenti,comunicazioni,calcoloe controllo. Sarà molto difficile riconoscerle come entità separate perché esse si fonderanno sempre più. Similmente, la distinzione tra dispositivo,circuito e sistema diventerà sempre meno netta. Per il prossimo decennio, la tecnologia del silicio dominerà l'elettronica. Tuttavia, i risultati delle ricerche sui nuovimateriali, in particolare l'arseniuro di gaIIio (GaAs) cominceranno con buona

probabilità a giocare un ruolo importante **.

111

11\

l:

i.1

Il peso che avrà la microelettronica in futuro è evidente dalle seguenti statistiche e proiezioniper il mercato dell'elettronica negli Stati Uniti (in miliardi di dollari):

.

L'era che dagli anni '80 si estende

al ventunesimo

secolo è stata chiamata

"l'età dell'informazione",

e non

senza ragioni: più del 50% della forza lavoro degli USA può essere classificata come "operatori dell'informazione".

..

C'è anche l'ipotesi che i materiali fine di questo secolo.

organici, come il DNA, possano

trovare impiego

nell'elettronica

entro la

fll

. ,

16 Prologo

Vendite di sistemi elettronici Vendite di circuiti integrati

1985

1990

215 11

400 35

Queste proiezioni indicano che la creatività e l'ingegnosità degli ingegneri e scienziati del passato saranno il trampolino per il talento dell'ingegneria del futuro. Bibliografia 1. Fiftieth AnniversaryIssue: Electronics,VoI. 53, n. 9, April1980. 2. Fiftieth AnniversaryIssue: Proceedingsof the IRE, VoI. 50, n. 5, May 1962. 3. Special Issue. "Historical Notes on Important Tubes and Semiconductor Devices", IEEE Trans.ElectronDevices,voI. ED-23, n. 7, July 1976. 4. C. Weiner. "How the Transistor Emerged", IEEE Spectrum, pp. 24-33, January 1973. 5. T. Forester. The MicroelectronicsRevolution. MIT Press, Cambridge, Mass., 1981. 6. Special Issue: "Microelectronics",ScientificAmerican, September 1977. 7. M.F. Wolff."The Genesis of the Integrated Circuit",IEEE Spectrum,pp. 45-53,August 1976. 8. J.S. Mayo. "Technical Requirements of the Information Age", Bell Labs Record, VoI. 60, n. 55, 1982. .9. T. Kidder. The Soul of a New Machine. Little, Brown and Company, Boston, 1981.