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William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain

L'invenzione del transistor e la «rivoluzione elettronica» che ne è seguita sono state rese possibili solamente grazie a una continua interazione di avanzamento nello studio dei semiconduttori e di sviluppo di tecnologie appropriate. A partire dal transistor, l'invenzione di ogni dispositivo è stata preceduta da studi di carattere fondamentale sulla fisica e chimica dei semiconduttori e ha costituito una spinta importante verso ulteriori ricerche.

La messa a punto del triodo nel 1906 e la conseguente comparsa dei tubi elettronici aveva messo a disposizione sistemi semplici e soprattutto affidabili per la generazione e l'amplificazione di segnali elettrici, essenziali nel settore sempre più importante delle trasmissioni radio. Negli stessi anni, con l'introduzione dei rettificatori di corrente cristallini, i semiconduttori entrano nella storia delle telecomunicazioni. Il difetto principale di questi dispositivi era però quello di avere caratteristiche scarsamente riproducibili. Si sviluppò quindi un'intensa attività volta al miglioramento delle loro prestazioni, che creò sinergie tra ricerca di base e sviluppo di tecnologie. Questo sforzo durante la seconda guerra mondiale portò alla realizzazione di rivelatori per microonde necessari al funzionamento dei radar; la fine della guerra permise di concentrare energie e investimenti sullo studio delle proprietà dei semiconduttori e sullo sviluppo di dispositivi a semiconduttore.

Un ruolo molto importante hanno avuto in questo processo i laboratori della Bell Telephone negli Stati Uniti, dove la ricerca di nuove soluzioni diede origine a un grosso sforzo per la comprensione delle proprietà fisiche dei semiconduttori e delle proprietà rettificanti di strutture a semiconduttore. Venne nominato direttore del progetto William Shockley e facevano parte del gruppo di ricerca John Bardeen, brillante teorico, e Walter Brattain, accanito sperimentatore.

Nelle prime fasi del lavoro divenne evidente che si era lontani da una reale comprensione della fisica dei semiconduttori e dei dispositivi. Una ragione di questa difficoltà era sicuramente il fatto che i materiali su cui si era lavorato fino ad allora (quali il solfuro di piombo: PbS o galena) sono solidi strutturalmente complicati. La natura semplice di silicio e germanio indusse a concentrare gli sforzi su di essi: in quanto semiconduttori elementari, il legame è covalente puro e ben conosciuto da un punto di vista quanto-meccanico. E Brattain in un suo articolo conclude: «Il nostro lavoro era perciò diretto verso una comprensione degli aspetti fondamentali del problema, anche se eravamo ben consapevoli dell'importanza di un amplificatore a semiconduttore, ammesso che fosse possibile realizzarlo.» Un primo importante risultato dell'attività dei Laboratori Bell fu la messa a punto di tecniche che permettono di preparare silicio e germanio di tipo n o di tipo p con resistività controllata. Questo evidenzia il fatto che il progresso nel campo dei semiconduttori e più in generale dei dispositivi a semiconduttore dipende in grande misura da una stretta cooperazione tra fisici, chimici e metallurgisti; infatti, come già detto, la possibilità di comprensione delle proprietà del materiale discende direttamente dalla capacità di controllo della produzione del materiale stesso.

E interessante ripercorrere sinteticamente la strada che portò Shockley, Bardeen e Brattain all'invenzione del transistor.

Brattain cercava di realizzare una struttura metallo-isolante-semiconduttore che consentisse l'amplificazione di un segnale in modo efficace. L'idea era semplice: applicando una tensione positiva all'elettrodo metallico si sarebbe dovuto poter attrarre elettroni nel semiconduttore, prendendoli dal circuito esterno. La resistenza del semiconduttore sarebbe dovuta diminuire e la corrente elettrica quindi aumentare: si sarebbe così potuto ottenere l'amplificazione del segnale applicato all'elettrodo metallico. Il dispositivo non funzionò. Bardeen dette la spiegazione dell'insuccesso: gli elettroni erano effettivamente attratti nel germanio e addensati alla superficie, dove però restavano intrappolati a causa della scarsa qualità della superficie stessa, rovinata dal taglio e dalla lavorazione. L'idea però era assolutamente valida e oggi è alla base di una intera famiglia di dispositivi: i «transistor a effetto di campo».

La sperimentazione continuava; un errore sperimentale portò alla scoperta dell'effetto di amplificazione cercato, anche se non mediante la struttura prevista. Nel corso della ripulitura del cristallo di germanio, venne asportato il sottile strato di isolante e il contatto metallico fu quindi realizzato direttamente sul semiconduttore; questo diede origine a un nuovo effetto che fu attentamente valutato e non semplicemente rigettato, in quanto dovuto a un errore. Vennero applicati al germanio due contatti metallici a punta molto vicini: l'intensità della corrente circolante tra una delle due punte e un terzo contatto di massa aumentava se all'altra punta veniva applicata una tensione. Inoltre un segnale modulato inviato a una delle due punte compariva amplificato all'altra: si era così ottenuto l'effetto di amplificazione di segnali elettrici modulati a lungo cercato.

La scoperta dell'effetto sopra descritto e l'invenzione del relativo dispositivo valse a Bardeen, Brattain e Schockley il premio Nobel per la Fisica nel 1956. John Bardeen ricevette un secondo premio Nobel nel 1972, insieme a L.N. Cooper e J.R. Schrieffer, per la teoria della superconduttività. Bardeen è stata l'unica persona ad aver vinto due premi Nobel per la Fisica.