L'incredibile transistor restringente

Ai Bell Telephone Laboratories il 16 dicembre 1947, i fisici John Bardeen e Walter Brattain attaccarono tre fragili contatti metallici a una sottile scheggia dell'elemento germanio, applicarono un segnale elettrico e scoprirono che il segnale che emergeva dal loro dispositivo era quasi cento volte più forte Svelato una settimana dopo ai dirigenti dei Bell Labs, il nuovo amplificatore a stato solido - presto soprannominato un transistor - è stato un magnifico regalo di Natale, secondo le parole del leader del gruppo di ricerca William Shockley, che solo un mese dopo ha concepito una versione migliorata che alla fine si è rivelata molto più facile da produrre.

Cinquant'anni dopo, i transistor si sono ridotti così drasticamente da essere ora invisibili a occhio nudo. Tuttavia, essendo gli ingredienti cruciali di ogni microchip, agendo come microscopiche pompe e valvole che regolano il flusso di corrente elettrica, questi minuscoli dispositivi continuano ad avere un enorme impatto su quasi ogni aspetto della vita moderna.

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 1997

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All'epoca era ovvio che l'ingombrante congegno di Bardeen e Brattain rappresentasse una svolta nell'elettronica. Ma i suoi inventori lo consideravano principalmente un sostituto delle valvole a vuoto, che venivano utilizzate come amplificatori e interruttori nelle apparecchiature telefoniche, nelle radio e nella maggior parte degli altri dispositivi elettronici. Shockley aveva forse la migliore intuizione di quello che sarebbe successo. Recentemente si è pensato molto a cervelli elettronici o macchine informatiche, ipotizzò nel dicembre 1949. Mi sembra che in questi cervelli di robot il transistor sia la cellula nervosa ideale.

Il processo fisico scoperto da Bardeen, Brattain e Shockley si trova ora nel cuore pulsante di un'industria elettronica che genera vendite mondiali di oltre 1 trilione di dollari all'anno. Il più grande pregio del transistor è che può essere così drasticamente miniaturizzato: i suoi principi di funzionamento fondamentali sono rimasti sostanzialmente inalterati poiché le sue dimensioni lineari si sono ridotte di oltre 10.000 volte. Al contrario, i tubi a vuoto non avevano assolutamente alcuna prospettiva per il tipo di sorprendente miniaturizzazione che si è verificata nei dispositivi a stato solido. E gli altri problemi dei tubi - erano ostinati, si bruciavano troppo frequentemente, generavano troppo calore e consumavano troppa energia - si sono rivelati completamente insormontabili.

I primi transistor erano tipicamente lunghi un centimetro; alla fine degli anni '50, venivano misurati in millimetri. Con l'invenzione del circuito integrato nel 1958, il palcoscenico era pronto per una sfilata costante di ulteriori innovazioni che riducevano le dimensioni dei transistor a livelli submicrometrici, inferiori a un milionesimo di metro. Oggi il transistor è poco più di un astratto principio fisico impresso innumerevoli volte su sottili schegge di silicio, milioni di microscopiche increspature su un luccicante mare cristallino. Come ha recentemente notato il cofondatore di Intel Gordon Moore, ogni anno vengono prodotti più transistor delle gocce di pioggia che cadono sulla California, e produrne uno costa meno che stampare un singolo carattere su un giornale.

La sinergia tra un nuovo componente e una nuova applicazione ha generato una crescita esplosiva di entrambi, ha osservato il partner di lunga data di Moore, Robert Noyce, riflettendo su come il transistor e il computer sono cresciuti insieme. Fece questo commento nel 1977, pochi anni prima che il personal computer iniziasse a stimolare l'ennesima esplosione commerciale basata sui semiconduttori. Più di ogni altro fattore, il fantastico restringimento del transistor sia in termini di dimensioni che di costo è ciò che ha permesso alla persona media di possedere e utilizzare un computer che è molto più potente di qualsiasi cosa le forze armate o le grandi aziende potessero permettersi qualche decennio fa. Se invece avessimo dovuto fare affidamento su valvole termoioniche, per esempio, la potenza di calcolo di un chip Pentium richiederebbe una macchina grande come il Pentagono.

E proprio lo scorso anno, che è anche il centenario della scoperta dell'elettrone, ci sono stati tentativi riusciti di costruire transistor così piccoli da comportare la trasmissione di un solo elettrone attraverso un canale lungo meno di 10 nanometri. Se questa tecnologia potrà mai essere trasferita alla linea di produzione, potrebbe essere in vista un'altra riduzione centuplicata delle dimensioni dei transistor.

Combinazioni rare

La saga dell'invenzione del transistor ai Bell Labs è una storia abbastanza nota che viene spesso raccontata quando sorgono domande sull'importanza della ricerca di base nel processo di innovazione. Molto meno familiare è la storia dello sviluppo tecnologico che ne seguì. È stata questa rara combinazione di ricerca di base e sviluppo tecnologico fondamentale che ha reso possibili i moderni transistor e microchip. Pochi, se non nessuno, episodi nella storia dell'innovazione possono essere paragonati.

I laboratori combinavano una filosofia di ricerca pragmatica e orientata agli obiettivi con quello che Shockley chiamava rispetto per gli aspetti scientifici dei problemi pratici. La ricerca era guidata dall'obiettivo a lungo termine di migliorare i componenti e i servizi del sistema Bell: interruttori migliori, segnali più chiari, ecc. Ma in quel contesto, gli scienziati avevano ampia libertà di fare ricerche di base sulle proprietà dei materiali. I principali fisici teorici hanno lavorato fianco a fianco con sperimentatori di prim'ordine e alcuni dei migliori ingegneri di sviluppo di dispositivi del paese. L'invenzione e lo sviluppo del transistor illustrano questa interazione tra il pratico e lo scientifico che ha caratterizzato i Bell Labs nel suo periodo di massimo splendore.

Quando le idee originali di Shockley per realizzare un amplificatore a stato solido fallirono, ad esempio, Bardeen propose una teoria completamente diversa sul comportamento dei semiconduttori che alla fine pubblicò sulla Physical Review. L'approccio dell'effetto di campo di Shockley prevedeva l'uso di campi elettrici esterni per indurre un eccesso di elettroni vicino alla superficie di materiali cristallini come il silicio; con più elettroni che si aggregano lì, dovrebbe fluire più corrente. O così pensava. Per spiegare l'apparente mancanza di tale effetto, Bardeen propose la sua teoria degli stati superficiali, in cui gli elettroni rimangono intrappolati sulla superficie e impediscono ai campi elettrici di penetrare. Questo è stato un nuovo punto di partenza che ha riorientato gli sforzi di ricerca del gruppo verso la comprensione di questi stati problematici. Abbiamo abbandonato il tentativo di realizzare un dispositivo di amplificazione, ha ricordato Shockley, e ci siamo concentrati su nuovi esperimenti relativi agli stati superficiali di Bardeen.

Quando Brattain si imbatté in un modo rozzo per superare questo blocco nel novembre 1947, tuttavia, l'attenzione del gruppo tornò quasi immediatamente all'obiettivo pratico di realizzare un amplificatore a stato solido. Un mese dopo inventarono il primo transistor, il transistor a contatto puntuale, che aveva due strisce di lamina d'oro incollate ai lati di un cuneo di plastica che premeva i bordi della lamina in una lastra di germanio. Sebbene questo strano aggeggio si estendesse per quasi un pollice, il nuovo processo fisico responsabile dell'aumento di potenza si è verificato in soli 2 mil o 50 micron, circa lo spessore di un foglio di carta di germanio tra le punte metalliche che toccano la sua superficie. Entità quantomeccaniche caricate positivamente note come fori generati al di sotto di un punto gocciolavano lungo uno strato superficiale fino all'altro punto, riducendo la resistenza del materiale sottostante e aumentando così la corrente che lo attraversava.

Sotto l'illuminata direzione di Mervin Kelly e Jack Morton, i Bell Labs iniziarono presto a riversare risorse nello sviluppo di tecnologie per rendere commercialmente fattibili i transistor. Ha perfezionato metodi per purificare germanio e silicio e far crescere grandi cristalli di questi elementi. Nel giro di pochi anni, queste tecnologie hanno permesso a Shockley e colleghi di realizzare la sua idea di un transistor a giunzione, che si è rivelato molto più affidabile dello strano dispositivo di Bardeen e Brattain e si è prestato molto più facilmente alla produzione di massa. In questo tipo di transistor, le cosiddette giunzioni p-n sostituiscono i punti di contatto metallo-semiconduttore; queste giunzioni sono formate tra due strati dissimili di materiale semiconduttore impregnati di impurezze diverse per indurre un leggero eccesso di elettroni o lacune. Questo approccio si è rivelato cruciale nella produzione di transistor economici e affidabili che hanno iniziato a comparire in dispositivi elettrici come radio e apparecchi acustici durante gli anni '50.

Inoltre, i Labs hanno reso queste e altre tecnologie prontamente disponibili per le aziende desiderose di entrare nel settore dei semiconduttori. Combinandoli con alcune innovazioni aggiuntive proprie, Noyce e Jack Kilby inventarono il circuito integrato presso Fairchild Semiconductor e Texas Instruments verso la fine del decennio. Meglio conosciuti oggi come microchip, che ora incorporano milioni di transistor su un singolo frammento di silicio, questi circuiti costituiscono la base dell'odierna industria dei semiconduttori da 150 miliardi di dollari. Come ha osservato Morton, a volte quando spargi il tuo pane sull'acqua, ritorna come la torta del cibo degli angeli.

Ulteriore Evoluzione

Cinquant'anni di scienza e ingegneria dei materiali hanno ridotto le dimensioni necessarie per l'effetto transistor al livello submicronico. Il germanio è stato sostituito dal silicio, che si comporta molto meglio alle alte temperature. La diffusione di strati profondi micron di atomi di impurità nel silicio e la formazione di uno strato di ossido vetroso e protettivo su di esso, la fotolitografia per incidere le caratteristiche delicate sulla superficie del silicio e la deposizione da vapore di contatti metallici sopra questo strato vetroso hanno iniziato a consentire la produzione di massa di circuiti integrati contenenti molti transistor e altri componenti a stato solido.

Una volta che i Bell Labs misero finalmente sotto controllo gli stati di superficie di Bardeen nel 1960, mediante la formazione dello strato di ossido in un ambiente attentamente controllato, l'approccio ad effetto di campo originale di Shockley tornò alla ribalta sotto forma di transistor metallo-ossido-semiconduttore (MOS) che dominare il settore oggi. Qui viene applicato un campo elettrico attraverso lo strato di ossido isolante caricando una minuscola striscia di metallo depositata sulla sua superficie; questo campo governa la corrente che scorre nel silicio appena sotto. Piccoli cambiamenti nella carica elettrica sulla striscia possono avere un enorme impatto su questa corrente, a volte anche bloccandola del tutto.

Nel 1965 Moore osservò che il numero di singoli componenti sui circuiti integrati raddoppiava ogni anno. Ha estrapolato questa crescita esponenziale per un altro decennio e ha fatto una proiezione sbalorditiva: che i circuiti del 1975 contenessero circa 65.000 dispositivi. Ora sancita come Legge di Moore, la sua previsione ha continuato a valere per oltre tre decenni, anche se il periodo di raddoppio è cresciuto fino a circa 18 mesi. I chip più avanzati oggi contengono milioni di transistor, ciascuno con dimensioni tipiche di meno di mezzo micron. E le tecniche di fotolitografia basate sulla luce ultravioletta promettono un'ulteriore riduzione delle dimensioni a quasi un decimo di micron, o 100 nanometri. Chip con miliardi di componenti a stato solido potrebbero presto diventare una realtà.

Innovazione oggi

La lezione cruciale da imparare dall'episodio del transistor è che la ricerca di base all'interno dei confini di un'azienda motivata dal profitto ha portato a un punto di partenza completamente nuovo e fenomenale per l'elettronica. Una stretta interazione tra il pratico e lo scientifico ha portato alla scoperta e al rapido sviluppo del processo fisico dell'azione dei transistor, che potrebbe essere così drasticamente miniaturizzato.

Ma i Bell Labs del dopoguerra erano un'istituzione unica che sarebbe molto difficile, se non impossibile, replicare oggi. Quello che Kelly ha descritto come un istituto di tecnologia creativa, ha concentrato le energie intellettuali di una mezza dozzina di futuri premi Nobel sotto il tetto di un unico laboratorio industriale nel New Jersey. Tuttavia, la sua società madre, AT&T, si trovava in una situazione molto speciale: deteneva il monopolio del servizio telefonico in tutti gli Stati Uniti. Pertanto, ogni volta che qualcuno effettuava una telefonata a lunga distanza, lei in effetti pagava una tassa di ricerca di base e sviluppo tecnologico per supportare i progetti in corso presso i Labs. In cambio, molti degli scienziati e degli ingegneri che vi lavoravano si consideravano parte di una risorsa nazionale che aveva la responsabilità di servire l'interesse nazionale.

Nel clima aziendale altamente competitivo di oggi, la maggior parte delle aziende non può permettersi spese di ricerca e sviluppo che difficilmente miglioreranno la loro redditività per anni. Spinte dalle pressioni sui profitti e dai cicli di produzione di 18 mesi, poche aziende possono permettersi di mettere insieme i team multidisciplinari e consentire loro l'ampia latitudine di ricerca che Bell Labs ha fatto con il suo gruppo a stato solido negli anni del dopoguerra. E rendere le loro nuove tecnologie così liberamente disponibili è assolutamente impensabile.

Il governo federale cerca di contribuire a colmare il divario tra scienza e industria promuovendo il trasferimento di tecnologia e programmi di tecnologia avanzata. Ma queste sono proposte difficili, cariche di gravi problemi e disaccordi politici. Nel frammentato ambiente di ricerca e sviluppo odierno, i fisici delle università di ricerca e dei laboratori nazionali continuano a perseguire superstringhe e leptoquark immaginari che non hanno applicazioni pratiche concepibili; nel frattempo, gli ingegneri delle aziende di semiconduttori si concentrano sullo sviluppo di modi per incidere caratteristiche sempre più fini sul silicio.

In parte a causa di questa sfortunata dicotomia, le innovazioni hanno difficoltà a raggiungere la produzione. Le scoperte recenti come le nanostrutture fullerene e i superconduttori ad alta temperatura rimangono curiosità di laboratorio; rispetto al transistor, che ha cominciato a comparire negli apparecchi acustici appena cinque anni dopo la sua invenzione, queste innovazioni stanno zoppicando verso la commercializzazione. Una possibile soluzione potrebbe trovarsi all'interno di consorzi industriali, come Sematech di Austin, che mirano principalmente a sviluppare le profonde riserve di nuova tecnologia di cui le aziende partecipanti hanno bisogno per migliorare le linee di prodotti. I gruppi di ricerca di base potrebbero essere incorporati all'interno di tali consorzi ben finanziati. In questo modo avrebbero operato nel mezzo di un ambiente pragmatico che potrebbe anche promuovere lo sviluppo fondamentale solitamente necessario per trasformare le scoperte scientifiche in prodotti utili.

Un'altra tendenza promettente è che le grandi aziende come Microsoft, che hanno una comoda quota o un monopolio virtuale nel loro mercato specifico, inizino ancora una volta a vedere l'opportunità di investire nella ricerca. Questo è ciò che è accaduto al Palo Alto Research Center di Xerox negli anni '70 e ha portato allo sviluppo di tecnologie dell'informazione estremamente utili come Ethernet, il mouse e l'interfaccia utente grafica. Sotto la guida di Bill Gates e Nathan Myhrvold, Microsoft ha recentemente preso una svolta simile, dedicando centinaia di milioni a progetti di ricerca e sviluppo di base nell'informatica. Ma mi chiedo quanto l'azienda condividerà i suoi risultati con altre società.

In ogni caso, è importante riconoscere la vera partnership che deve esistere tra scienza e tecnologia. Non è la scienza che la tecnologia diventa prodotti, afferma Moore attaccando il modello lineare di sviluppo industriale dei Bell Labs. È la tecnologia che fa sì che la scienza venga dietro di essa. Ma la scienza a cui si riferisce è la scienza strettamente applicata praticata oggi nella maggior parte dell'industria, dalla quale emergeranno mai innovazioni e punti di partenza radicalmente nuovi, se non nessuno. La scienza e la tecnologia sono come le due catene polipeptidiche intrecciate in una molecola di DNA. Ciascuno influenza l'altro in una relazione complicata e simbiotica che sarebbe notevolmente diminuita se uno dei due diventasse ancella dell'altro.

Il mio punto centrale è che dobbiamo superare la natura frammentata dell'impresa di ricerca e sviluppo di oggi. Ciò che caratterizzò i Bell Labs del dopoguerra e portò all'invenzione e allo sviluppo del transistor era che l'intera gamma di talenti necessari per l'innovazione rivoluzionaria doveva essere trovata sotto un unico tetto, lavorando a stretto contatto come un'unità ben oliata sotto una gestione illuminata che capiva come tali squadre multidisciplinari avevano sviluppato il radar e la bomba atomica durante la seconda guerra mondiale. Spero che non avremo bisogno di un altro cataclisma del genere per ricordarci ancora una volta il valore della ricerca e dello sviluppo cooperativi.

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