Elettronica-Millman J Grabel a -Microelettronica

Indice

Presentazione XIIII:.' :..

Prefazioneall'edizioneitaliana XV

Prefazione XVII

Prologo- Brevestoriadell'elettronica

,ParteprimaDispositiviasemiconduttore 17

1 Semiconduttori1.1 Forze,campiedenergia1.2 Conduzioneneimetalli1.3 Semiconduttoriintrinseci1.4 Semiconduttoriestrinseci1.5 Variazioninelleproprietdelsilicio1.6 Diffusione1.7 Semiconduttoriadrogaggiograduale

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,2 Il diodoa giunzionepn2.1 Lagiunzioneacircuitoaperto2.2 Lagiunzionepnpolarizzta2.3 Lacaratteristicatensione-corrente2.4 Dipendenzadallatemperaturadellacaratteristica1-V2.5 Diodialgermanio2.6 Il diodocomeelementocircuitale2.7 Modellipergrandisegnali2.8 Applicazionielementarideldiodo2.9 Modelliperpiccolisegnali2.10Tempidicommutazionedeldiodoagiunzione2.11DiodiZener

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VI Indice

2.12Diodi Schottky2.13Il diodoa giunzionebrusca

3 Transistoribipolari.agiunzione3.1 Il generatoreidealecontrollatoin corrente3.2 Il transistoreagiunzione3.3 Il modellodi Ebers-MolldelBJT3.4 Le caratteristicheabasecomune(commonbase,CB)3.5 Laconfigurazionea emettitorecomune(CE)3.6 Modidi funzionamentoin interdizioneeinsaturazione3.7 Modelliincontinua3.8 Il BJT comeinterruttore3.9 Il BJT comeamplificatore3.10Il modelloperpiccolisegnalidelBJT3.11Il BJT comediodo .3.12Lacoppiadifferenziale3.13Limitidi funzionamentodeitransistori(transistorratings)

4 Transistoria effettodi campo4.1 Il generatoreidealedi correntecontrollatointensione4.2 Il transistoreaeffettodicampoagiunzione4.3 Caratteristichetensione-correntedelJFET4.4 La caratteristicadi trasferimentodelJFET4.5 Il MESFET4.6 Il MOSFET adarricchimento4.7 Caratteristichetensione-correntedelMOSFETadarricchimento4.8 Il MOSFET asvuotamento4.9 SimbolicircuitalideiMOSFET4.10AnalisiincontinuadeiFET4.11Il MOSFETcomeresistenza4.12Il FET comeinterruttore4.13Il FET comeamplificatore4.14ModelliperpiccolisegnalideiFET4.15DispositiviCMOS

5 Fabbricazionedei circuiti integrati5.1 Tecnologiaper circuitiintegratimonolitici(microelettronica)5.2 I processiplanari5.3 Fabbricazionedel transistorebipolare5.4 FabbricazionedeiFET5.5 TecnologiaCMOS5.6 Diodi monolitici5.7 Il contattometallo-semiconduttore5.8 Resistenzeper circuitiintegrati5.9 Condensatoriintegrati5.10Inc.apsulamentodei circuitiintegrati5.11Caratteristichedeicircuitiintegrati5.12Layoutdi circuitiintegrati

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Indice VII

PartesecondaCircuiti e sistemidigitali 223

6 Circuiti logici(digitali)elementari6.1 Il sistemabinario6.2 Algebrabooleana6.3 Le porteOR-esclusivo,NAND e NOR6.4 Caratteristichedelleportelogiche6.5 L'invertitoreNMOS6.6 Ritardodi propagazionedell'invertitoreNMOS6.7 PortelogicheNMOS6.8 L'invertitoreCMOS6.9 PortelogicheCMOS6.10L'invertitorea BJT6.11La portaNAND TTL2.12Stadidi uscitaTTL6.13FamiglielogicheTTL6.14Circuitilogicia emettitoriaccoppiati(ECL)6.15Confrontotrafamiglielogiche

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7 Circuitidigitalicombinatori7.1 Portestandard7.2 Sommatoribinari7.3 Funzioniaritmetiche7.4 Comparatoredigitale7.5 Generatore-controlloredi parit.1.6 Decodificatore-demultiplexer7.7 Selettoridi dati-multiplexer7.8 Codificatore7.9 Memoriea solalettura(ROM) .7.10Indirizzamentobidimensionaledi unaROM7.11ApplicazionidelleROM7.12ROM programmabili(PROM)7.-13PROM cancellabili7.14Logicaa matriceprogrammabile7.15Matricilogicheprogrammabili

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8 Circuitiesistemisequenziali8.1 Memoriea 1bit8.2 Proprietcircuitalidi unlatchbistabile8.3 Il FLIP-FLOP SRsincrono8.4 I FLIP-FLOP di tipoIl(, T,D8.5 Registriascorrimento8.6 Contatoriasincroni(ripple)8.7 Contatorisincroni8.8 Applicazionideicontatori

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VIII Indice

9 Sistemia larghissimascaladi integrazione9.1 RegistriascorrimentodinamiciMOS9.2 Stadidi registri.ascorrimentononarapporto9.3 La logicaCMOSdomino9.4 Mem.orieadaccessocasuale(RAM)9.5 Celledimemorialettura-scrittura9.6 CelleperRAM bipolari9.7 Dispositiviadaccoppiamentodicarica(CCD)9.8 StruttureCCD9.9 Logicaainiezioneintegrata(FL)9.10 Microprocessorie microelaboratori

ParteterzaCircuitiesistemiamplificatori

lO Configurazionielementaridi amplificatoria bassafrequenza10.1 Formad'ondadi un ingressosinusoidale10.2 Puntodi lavorodelBJT10.3 PolarizzazionedelBJT'nei circuitiintegrati10.4 Generatoredi correntedi Widlar10.5 Generatoridi correntea tretransistori10.6 Polarizzazionedi BJT nei circuitia componentidiscreti.Analisi10.7 PolarizzazionedelBJT in circuitia componentidiscreti.Progetto10.8 PolarizzazionedelFET10.9 Analisidi circuitia transistoriin condizionidi linearit10.10L'amplificatorea emettitorecomune10.11Inseguitoredi emettitore10.12Amplificatoreabasecomune10.13Confrontotta le configurazioni10.14L'amplificatoreaemettitorecomuneconresistenzasull'emettitore10.15Amplificatori~FET10.16Amplificatoria BJT in cascata10.17Amplificatoria transistoricomposti10.18L'amplificatoredifferenziale10.19Analisidegliamplificatoridifferenziali10.20Amplificatoridifferenzialia FET10.21L'amplificatoreoperazionale10.22Applicazionitipichedegliamplificatorioperazionali

11 Rispostain frequenzadegliamplificatori11.1 La rispostain frequenza11.2 Rispostaalgradinodiunamplificatore11.3 Guadagnodi correnteincortocircuitoperlaconfigurazione

aemettitorecomune11.4 Lafunzione"guadagno"

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Indice IX

11.5 L'amplificatoreaemettitorecomuneallealtefrequenze11.6 Il prodottoguadagno-banda11.7 L'amplificatoreasourcecomuneallealtefrequenze11.8 Gli inseguitori'di emettitoree di sourceallealtefrequenze11.9 Il metododellecostantidi tempoper la determinazionedellarisposta

in frequenzaIl.10 Rispostain frequenzadi pi stadiin cascata11.11L'amplificatorecascode(CE-CB)11.12L'amplificatoreoperazionaleallealtefrequenze11.13Effettidei condensatoridi accoppiamentoe di bypass

12 Amplificatorireazionati12.1 Classificazionee'rappresentazionedegliamplificatori12.2 Il concettodi reazione12.3 L'amplificatorereazionatoideale12.4 Proprietdegliamplificatoriconreazionenegativa12.5 Impedenzanegliamplificatorireazionati12.6 Proprietdellevarieconfigurazionidi amplificatorireazionati12.7 Analisiapprossimatadell'amplificatorereazionato12.8 Analisigeneralizzatadegliamplificatorireazionati12.9 Approfondimentisull'impedenzanegliamplificatorireazionati12.10Amplificatoreatrestadiinreazioneparallelo12.11Amplificatoreaduestadiconreazioneparallelo-serie12.12Amplificatoreaduestadiconreazioneserie-parallelo12.13Amplificatoreatrestadiinreazioneserie12.14Analisigeneralizzatadi amplificatorireazionatimultistadio12.15Amplificatoriconreazionemultipla

13 Stabilite rispostadegliamplificatorireazionati13.1 Effettidellareazionesullabanda13.2 Stabilit13.3 Criteridi stabilit13.4 Compensazione13.5 Rispostain frequenzadegliamplificatorireazionati.La funzione

di trasferimentoa duepoli13.6 Marginedi fasedell'amplificatorereazionatoconduepoli13.7 Rispostadell'amplificatorereazionatocontre poli13.8.Analisiapprossimatadegliamplificatorireazionatimultipolo13.9 Determinazioneapprossimatadeipoli adanelloaperto13.10Approfondimentosulletecnichedi compensazione

14 CaratteristichedegliamplificatoI;ioperazionali14.1 Arhitetturadegliamplificatorioperazionali14.2 Lo stadioadaltoguadagnoconcaricoattivo14.3 Lo stadiodifferenziale14.4 Traslazionedi livello14.5 Stadidiuscita

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X Indice

14.6 Tensionie correntidi sbilanciamento(offset)14.7 Misuradeiparametridegliamplificatorioperazionali14.8 Rispostain frequenzae compensazione14.9 Slewrate14.10CircuitiBIFET e BIMOS14.11Amplificatorioperazionalia tre stadi14.12Altri tipidi amplificatorioperazionali14.13Amplificatorioperazionalia MOS

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PartequartaElaborazionedi segnalieacquisizionedati 715

15 Generazioneedelaborazionedi formed'onda15.1 Oscillatorisinusoidali15.2 L'oscillatorea,sfasamento15.3 OscillatoreapontediWien15.4 Schemageneralediuncircuitooscillatore15.5 Oscillatoreaquarzo15.6 Multivibratori15.7 Comparatori15.8 Generazionediun'ondaquadradaunasinusoide15.9 Il comparatorerigenerativo(triggerdiSchmitt)15.10Generatoridiondaquadrae triangolare15.11Generatoridi impulsi15.12Il timerintegrato55515.13Generatoridibasedeitempi15.14Generatoridigradinata15.15Modulazionediun'ondaquadra

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16 Condizionamentodel segnaleeconversionedeidati16.1 Segnalied elaborazionedeisegnali16.2 Sistemidi campionamentoe tenuta(sample-and-hold)16.3 Multiplexere demultiplexeranalogici16.4 Convertitoridigitale-analogici(D/A)16.5 Convertitorianalogico-digitali(AID)16.6 .Circuitiintegratorie derivatori16.7 Calcoloelettronicoanalogico16.8 Filtri attiviRC16.9 Filtri di Butterworthe di Chebyshev16.10Cellebiquadratichea singoloamplificatore16.11Cellebiquadraticheconpi AO16.12Filtri a condensatoricommutati'16.13Amplifica~orilogaritmiciedesponenziali16.14Moltiplicatorianalogici16.15Raddrizzatoridi precisione

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PartequintaElettronicadeigrandisegnali

17 Circuitie sistemidi potenza17.1 Conversionedatensionealternataacontinua(ac-dc)17.2 Raddrizzatori17.3 Altri circuitia doppiasemionda17.4 Filtri capacitivi17.5 Alimentatoristabilizzati17.6 Regolatorimonolitici17.7 Regolatorea commutazione17.8 Altre topologiedei regolatori a commutazione17.9 Amplificatori.pergrandisegnali17.10Distorsionearmonica17.11Classificazionedegliamplificatori17.12Rendimentodi un amplificatorein classeA17.13Amplificatoripush-pullin classeB17.14Funzionamentoin classeAB17.15Amplificatoridi potenzaa circuitointegrato17.16Considerazioniper il progettotermico.17.17Transistoridi potenzaa effettodi campo(VMOS)

AppendiciA - Costantie fattoridi conversione .B - Costruttoridi semiconduttoriecaratteristichedi alcunidispositiviC - Sommariodi teoriadellereti

Indice XI

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PrologoBrevestoria dell'elettronica

Elettronica- perlamaggiorpartedinoiquestaparolarichiamaallamenteunavarietdioggetti,da"chip"ecomputeratransistorietelevisione.Tuttavia,mentreconcordia-mosuglielementispecificichecostituisconol'elettronica,lasuadefinizionesfuggen-te.Neiparagrafiseguentidefiniamol'elettronicacomevieneusatainquestolibro,nonnelsensodeldizionario,mainunamanierachetentadi trasmetterelo spiritoe gliaspetticaratteristicidelladisciplina.Abbiamosceltolastoriacomeveicoloperfareci,perchsonoglisforzidegliindividuichehannofornitocontributiinquestocampochedefinisconodavveroladisciplina.

L'elettronica,in sensostretto, la scienzae la tecnologiadelmovimentodellecaricheinungas,nelvuotooinunsemiconduttore. danotareGheilmovimentodellacaricaconfinatainunmetallononsiconsideraelettronica.Questastataunadivisionestoricausataagliinizidelventesimosecoloperseparareilgifiorentecampodell'inge-gneriaelettricadalnuovoedemergentecampodell'ingegneriaelettronica.A queltempol'ingegneriaelettricatrattavadispositivichedipendevanosoltantodalmovi-mentodeglielettronineimetalli,comeimotori,i generatori,lelampadineei sistemidicomunicazionemediantefilo(telefonoetelegrafo).Tuttavia,all'avvicinarsidellafinedelventesimosecolo,ladivisionestoricatraingegneriaelettricaedelettronicanonhapilasuafunzioneoriginale.

Oggigliingegnerielettronicicheesercitanolaprofessioneassolvonodiversefunzio-ni (progetto,sviluppo,produzione,ricercae ancheinsegnamento)convarieapplica-zioni.Essisioccupanodisistemimediantei qualinoipossiamocomunicarel'unoconl'altrointuttoil mondo,tramitei qualisielaboranograndiquantitdidatietramiteiqualivengonoautomatizzatiprocessiindustrialialtamentecomplessi,edeglielementiusatinellarealizzazioneditalisistemi.Il campodell'ingegneriaelettricaincludeanchei dispositivi,circuitie sistemiusatiperlagenerazione,distribuzionee conversionedell'energiaelettrica.Il gruppomenzionatonellaprimadelledueprecedentielenca-zionipossiedelaproprietcomunedellaelaborazionedell'informazione;il secondopuesserevistocomeelaborazionedell'energia.Questadistinzionetraelaborazionedell'informazioneedell'energiaserveasepararel'elettronicadalrestodell'ingegneriaelettrica.Di conseguenza,vediamochela naturadelladisciplinadell'elettronicacomprendelequattroC - comunicazione,calcolo,controlloe componenti.

Il prologointendeoffrireunbreveprofilostoricodell'elettronicamoderna.Il centrodell'attenzionefocalizzatosuglisviluppieleapplicazionideidispositivielettronicie

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2 Prologo

sullacrescitadelleindustriederivantidallautilizzazionedi questidispositiviin circuitie sistemireali.

Questastoriasidivideindueperiodidi tempoprincipali,ciol'eradeltuboa vuotoel'eradeltransistore.La primacomprendegli sviluppiverificatisinellaprimametdelventesimosecoloe la secondainizia con l'invenzionedel transistorenel 1948.Lasezioneconclusivacontieneunabreveipotesisuquellochesaril futurodell'elettroni-ca.Questedescrizionidannounquadrocomplessivodi riferimentoincuicomprenderei particolariargomentitecnicitrattatinel testo.

Premessestoriche

Leoriginidell'ingegneriaelettronicasibasanosulleconquistedapartedigigantidellascienzaqualiAmpre,Coulomb,Faraday,Gauss,Henry,Kirchhoff,MaxwelleOhm.Ilprimousopraticodellorolavoro,nelcontestodellaelettronicamoderna,fulosviluppodeisistemidicomunicazione.Nel1837SamuelMorse,professorediBelleArti pressol'universitdiNewYork,dimostrlavaliditdelsistematelegrafico*.L'importanzadellatelegrafiaelettricafu l'introduzionediunmetodoefficacedicodificadell'infor-mazionein segnalielettrici.I puntie le lineedelcodiceMorserappresentaronoilprimousodeisegnalidigitali(binari).

Quasiquarantaannipitardi,nel1876,BelI inventil telefonoe introdusseunmetodopercodificarel'informazioneparlatacomesegnaleelettricocontinuoequindidecifrarequestisegnaliaunapparecchioricevente.L'invenzionedelfonografofattadaEdisonnel1877dimostrchei segnalielettricipotevanoessereimmagazzinatiesuccessivamenterecuperati.Il discodelfonografopuessereconsideratocomelaprimamemoriaelettricaa solalettura(ROM).

L'introduzionedellacomunicazioneradiosibasaprincipalmentesulcontributodiJamesClerkMaxwell,il quale,nel1865,codificprecedentiricerchein unateoriaconsistentedell'elettromagnetismo,oraconosciutacomeequazionidi Maxwell.Laspintain avantipiimportantefudatadall'intuizionedi Maxwellcircal'esistenzadiondeelettromagnetichechesipotevanopropagarenellospazio.Eccouncasoincuilateoriaprecedel'esperimento,dalmomentochesoltantoventitrannipitardiHertzprodussequesteondesperimentalmente.Marconifu il primoa sfruttarele ondehertziane,comeessevenneropoichiamate.Nel 1896Marconiriusca trasmetterequesteondeericeverleaduemigliadidistanza.Il telegrafosenzafiliebbelasuaumileorigineinquestiesperimenti.

L'era del tuboa vuoto

L'eradeltuboavuotoabbracciala primametdelventesimosecolo;l'elettronicamodernasiconcretizztecnologicamentein questoperiodo.

L'originedeltermine"elettronica"sipuattribuirea H. A. Lorentz,il quale,nel1895,postull'esistenzadi particellecariche,cheeglichiamelettroni(impiegando

* Anchesel'invenzione attribuitaa Morse,il primosistemaoperantemoltodiffusofu sviluppatoin GranBretagnadaWilliamThornson,in seguitodivenutoLord Kelvin,e daSir CharlesWheatstone.

Brevestoriadell'elettronica3

cosdinuovolaparolausatadagliantichiGreciperl'ambra).DueannipitardiJ.J.Thompsonverificsperimentalmentel'esistenzadeglielettroni.In quellostessoannoBrauncostruil primotuboelettronico,untuboa raggicatodici(CRT) primitivo.

La scopertadei tubia vuoto

Nel 1904Fleminginventundispositivoa dueelelpenti,il diodo,cheeglichiamva/vola.Essoconsistevain un filo metallicoriscaldato,il filamento,cheemettevaelettroni(l'effettoEdison)ederapostoabrevedistanzadaunaplaccametallica.Tuttaquantalastrutturaerapostasottovuoto.Unatensionepositivadallaplaccaalcatodo(filamento)producevaun passaggiodi corrente;mentre,applicandounatensionenegativa,lacorrentesiriducevaazero.Questaproprietunidirezionaledellavalvolalarendevanoutilecomerivelatoredisegnalisenzafili (radio).

DueannidopoPickardusuncristallodi silicioconun"baffodi gatto"(unfiloappuntitopressatonelsilicio)comerivelatore.Questofuilprimodiodoasemicondut-tore;tuttavia,essoerainaffidabilee fu prestoabbandonato.Cosl'elettronicadeisemiconduttorisembravamorireprematuramentenel1906.

L'invenzionedell'audion(triodo)di DeForestnel1906fu unprimosuccessoneiprimipassidell'elettronica.Infatti,sipucapirefacilmentechel'elettronica,comelaconosciamooggi,nonesisterebbesenzal'invenzionedeltriodo.L'audiondiDeForestconsistevainunterzoelettrodo(lagriglia)inseritotralaplaccaeil catododellavalvoladi Fleming.La tensionedellagrigliacontrollavail flussodellecarichetraplaccaecatodo.Un piccolocambiamentonellatensionedellagrigliacausavaunavariazionemaggiorenellatensionedellaplaccae,perquesto,l'audion il primoamplificatore.

Il triodo statoH primodispositivoa mostrarela proprietcircuitale,cheoggichiamiamodi generatorecomandatoo dipendente.Poichmantenevala proprietunidirezionaledellavalvola,ancheH triodo avevale proprietdi un interruttorecontrollato.Oggi,inpratica,tuttii circuitielettroniciutilizzanodispositiviconcaratte-ristichesiadigeneratoresiadi interruttorecomandato.

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Applicazioni circuitali iniziali

VersoH19H i miglioramentitecnologici- unvuotomiglioreeuncatodorivestitodiossido- reserol'audionundispositivoaffidabile,dandoHviacosall'eradell'elettroni-caveraepropria*.Le primeapplicazionideitubia vuotofuronole comunicazionitelefonichee radioe, nellostessotempo,nel 1912,negliStatiUniti, fu fondatol'lnstituteof RadioEngineers(IRE). Varesoomaggioall'immaginazionee lungimi-ranzadeiprimiingegneri,i qualisireserocontoimmediatamentedell'importanzadellaradioe formaronola propriaassociazioneprofessionale.Nel 1884vennefondatol'AmericanInstituteofElectricalEngeneers(AlEE), focalizzatosugliinteressitradi-zionalidegliingegnerielettrotecnici.Nel1963entrambeleassociazionisifuseroinunasolaorganizzazione,l'lnstituteofElectricalandElectronicEngeneers(IEEE), un'o-perazionecheriflettevamezzosecolodiprogressinellaprofessione.

Mediantel'usodeisemplicidiodie triodidisponibili,l'ingegnositdeiprimiinge-

* Per coincidenza il Prof. Millman nato nello stessoanno.

4 Prologo

gneriportall'invenzionedi molti nuovicircuiti.Tra questisonodegnidi notagliamplificatoriin cascata,gli amplificatoria reazionepositiva(Armstrong,1912*),glioscillatori(DeForest,1912),l'eterodina(Armstrong,1917)ei multivibratori(Eccles-Jordan, 1918).L'oscillatore statoil primo sistemain gradodi generaresegnalielettriciutilizzandounicamentedispositivielettronici.La crescitadelguadagnodegliamplificatorisia in cascatasiachea reazionepositiva,unitamenteallatraslazionedifrequenzaconsentitadall'eterodina,porta unamiglioreelaborazionedei segnaliefavorlarivelazionedisegnalideboli.I primimultivibratorisonostatii precursorideimoderniFLIP-FLOP e deigeneratoridi clock.

Industrieelettroniche

L'amplificatoreebbequasisubitoun'applicazionecommercialenellatelefoniaagran-dedistanza.I progressinellatecnologiadeltuboa vuotoprodottidallecompagnietelefonichedetteroimpulsoa unanuovaimportanteindustria- la radiodiffusionecommerciale.Nel1920,aPittsburghinPennsylvania,fucreatalastazioneKDKA dallaSocietElettricaWestinghouse.Soltantoquattroannipitardic'eranocinquecentostazioninegliStatiUnitieversoil 1926laretediradiodiffusioneeraunarealt.Nellostessotempolaradiodiffusioneentrnelmondoindustriale.

Le industrieelettroniche**appartengonoaunoo pideiseguentigruppi:compo-nenti,comunicazioni,controlloe calcolo.

ComponentiAll'inizio,leindustriedicomponentinacqueroperprodurreivaritipididispositivielettronicicomepureglielementicircuitalipassivi(resistenze,condensato-ri, induttanze,trasformatoriecc.).Ingegnerie scienziatidi questeorganizzazioniraggiunseroprogressisignificativisviluppandodispositivinuovie migliori.Questiincludevanoil catodoariscaldamentoindiretto,i tetrodiepentodi,ottenutidaltriodointroducendounquartoepoiunquintoelettrodo,ei tubiagascomeil thyratron.Condispositivinuovie miglioratifuronoinventatinuovicircuitichefornivanosintoniaasingoloaccordo,controlloautomaticodiguadagno(AGC) e il funzionamentocomericevitoremultibanda.

ComunicazioniI segnaliradiosonotrasmessipiconvenientementea frequenzesuperioriai500kHz.Poichmoltospessolafrequenzadeisegnalicherappresentanol'informazione notevolmentealdisottodei500kHz,questisegnalidevonoesserecodificatietraslatiafrequenzeditrasmissionepialtemedianteunprocessochiamatomodulazione.I primisistemidi radiodiffusioneusavanolamodulazionedi ampiezza(AM).Permigliorarelafedelteridurrel'effettodell'interferenzaatmosferica,Arm-strong***(1930)concepesvilupplamodulazionedi frequenza(FM).

Latelevisioneinbiancoeneroinizinel1930,basandosisull'iconoscopiodiZwory-

* Armstrongsi laurepressola ColumbiaUniversityin quelperiodo.

** L'attivitdimolteaziendecoinvolgepidiunadi questecategorie,spessoconconsociateo divisionichesiidentificanoconun gruppo.

*** Le dateindicanol'iniziodelladivulgazionee nonnecessariamenteil pubblicoriconoscimentoo il rilasciodelbrevetto.


kineilcinescopio(rispettivamenteiprimitubiditelecameraediriproduzione).Versoil 1940negliStatiUnitilatelevisioneerapocousataelasuadiffusionevenneritardatadallasecondaguerramondiale.Latelevisioneacoloriarrivintornoal1950edurantegliannisessantadivenneil sistematelevisivodominante.

Le tecnicheusatenellaradiodiffusionevenneroadattateperaltreapplicazioni.Isistemitelefonicifuronotrasformatiinunadelleformepiimportantidicomunicazio-neelettronica.A lorovolta,i circuitisviluppatiperla telefoniaelettronicafuronolargamenteusatineisistemiradioricevitori.Il Radare il Loran(apparsidurantelasecondaguerramondiale)utilizzavanolecomunicazioniradiocomeaiutiallanaviga-zionesiaaereachemarittima.Tutteleinnovazionisummenzionaterichieserol'inven-zionedinuovicircuiti.Importanticonquistecomprendevanol'amplificatoreareazionenegativainventatodaBlack(1927),illimitatoreFM eil discriminatoreFM. Un altroimportantesviluppocircuitalefu il generatorea dentedisega,chefornlabasedeitempilineareperi primioscilloscopieperi sistemidideflessionetelevisivi.Moltideisistemidicomunicazionepirecentiutilizzaronosegnalidiscreti(impulsivi)piuttostochesegnalicontinui.Di conseguenza,fusviluppataunavarietdicircuitiimpulsiviperlatemporizzazioneelasincronizzazionenecessarienellatelevisione,nelradarecc.eperlagenerazionediimpulsielamodulazione.Inoltre,i nuovisistemidicomunicazio-neoperavanoafrequenzepialteesibasavanosunuovidispositiviamicroonde,comeil klystron,il magnetrone i tubia ondaprogressiva(TWT).

CalcolatoriSebbenesianoi transistoriei circuitiintegratiadaveredatoimpulsoallostraordinariosviluppodell'industriadeicalcolatori,questiaffondanole loroorigininell'eradeltuboavuoto.C'ungrandissimointeresseperlemacchinedicalcolodaoltretrecentoanni.Nel 1633Schickarddescrisse(inunacorrispondenzaconil suoamicoKeplero,l'astronomo)uncalcolatoremeccanicoingradodieseguirel'addizio-ne,lasottrazione,lamoltiplicazionee ladivisione.Egliprogettunaruotacondiecidentideiqualiunoerapilungodeglialtriequestaruotaerapostameccanicamentevicinaaun'altrasimile.Dopochelaprimaruotaavevafattodieciincrementiangolari,corrispondentiallediecicifre,il dentepigrandeagganciavalaruotapivicinaedavaluogoaunsoloincremento.In altritermini,egliinventil riportoinaritmetica.Quasineglistessianni,Pascal(1642)eLeibnitz(1671)ebberoideesimili.Tuttavia,il primotentativoveramenteseriopercostruireuncalcolatoremeccanicovennefattopressap-pocoduecentoannidopo(1833)daBabbage,unprofessoredimatematicainInghilter-ra.La"macchinaanalitica",comesichiamil computerdiBabbage,contenevatuttiglielementidiunmodernocalcolatoredigitale.Essafacevausodi schedeperforate-inventatetrentaanniprimadaJacquard,unfabbricantefrancesediarticolidatappez-zeria- perl'ingressoel'uscita,contenevasialamemoriasial'unitaritmeticaederaunamacchinaconprogrammamemorizzato.Tuttavia,latecnologiadeltempononeradi fattoin gradodi convertirele sueideein unamacchinafunzionante*.

Il primocalcolatorefunzionantefu elettromeccanico,nonelettronico,e vennecostruitodagliingegneridellaIBM sottoledirettivedelprofessorAikendellaUniver-sitdiHarvardnel1930.Vennechiamatoil "calcolatoreautomaticoIBM asequenzacontrollata,Markl''.Eralungo17metriealto3ederapiuttostorozzo.Tuttavia,venne

* I tentatividi Babbagenon furono del tuttovani. Il suo tentativodi realizzare il calcolatore detteluogo a moltiprogressi nel funzionamento delle macchine utensili che ebbero un importante impatto sull'industriamanifatturiera nell'Inghilterra vittoriana.

6 Prologo

usatoperfarecalcoliperoltrequindicianni.Il primocalcolatoreelettronicofucompletatonel 1946daEckerte Mauchlypressola ScuolaMooredi IngegneriaElettricanell'Universitdi Pennsylvania.Essosi chiamENIAC, unacronimoperintegratorenumericoe calcolatoreelettronico.Venivausatoperil calcolodi tabellebalisticheperleforzearmateenonerauncalcolatoreperusogenerale.Conteneva18000tubiavuoto,eracontenutoin 40armadieriempivaunastanzachemisuravacircalOmetriper13.VonNeumann,unconsulentediquestoprogetto,suggercheilcomputerusassenumeribinarielogicabooleanaecontenesseunprogrammamemo-rizzatoperleoperazionibasilari.

Nel 1946la IBM introdussesulmercatoil primopiccolocalcolatoreelettronicocommerciale,ilmodello603.Dueannidopo,uscil primocalcolatoredigitaleperusogenerale,l'IBM 604,di cuifuronovendutiin dodiciannioltre4000esemplari.Perquestomotivo,il 1948siconsideral'annodi iniziodell'industriadelcalcolatori(percasoil transistorefu inventatoinquellostessoanno).

In questoperiodo,molteistituzioni,inclusele Universitdi Harvard,Princeton,Pennsylvania,il MassachusettsInstituteof Technology(MIT), il CourantInstitutedell'Universitdi NewYork e l'lnstitutefor AdvancedStudies,si occuparonodiricercanelcampodeicalcolatori.Finanziatidavarientigovernativi,questiingegneriescienziatisvilupparonoi concettihardwaree softwarechevennerousatisuccessiva-menteneicalcolatoricommercialidiusogenerale.

L'IBM 650,consideratoil cavallodi battagliadell'industria,venneintrodottonel1954.Questae altremacchinea tubia vuotovenduteda altrecompagniesonoconosciutecomecalcolatoridigitalidellaprimagenerazione.Durantel'ultimapartedell'eradeltuboavuotofuronosviluppatianchei calcolatorianalogici.Talimacchine,usateperrisolveregrandisistemidiequazionidifferenziali,sibasanosullacostruzionedi circuitielettroniciil cuicomportamento governatodauninsiemedi equazionianalogheaquelledarisolvere.L'analizzatoredifferenziale,sviluppatodaBushalMIT,statoilprimocalcolatoreanalogicoelettromeccanico.Leversionielettronichediven-nerounarealtconl'invenzionedegliamplificatorioperazionali*.

Controlli Le industrieelettronichedi controlliaffondanole loro origininella"elet-tronicaindustriale",chepuesseredefinitacome"l'usodeidispositivielettronicinelcontrollodi macchine(piuttostochenellecomunicazionie nei calcolatori)".I Thyra-tron,i diodiagas,i raddrizzatoriavaporedi mercurioe i tubiperaltatensionee altapotenzafuronoi dispositiviutilizzati.Questidispositivifuronousatiin circuitiper laconversione(raddrizzamento)da alternataa continua(convertitoriac-dc)ad altatensionee alta potenza,in convertitoridc-ac(inverter)e in trasmettitoriad altatensione.Le applicazionicomprendevanoi controllidi velocitpermotorielettrici,iregolatoridi tensione,i riscaldatori a induzionee a radio frequenzae unagrandevarietdicontrollidiprocessoindustriale.In quelperiodofu inoltreintrodottol'usodicalcolatori(analogici)nei sistemidi controllo.

Analisieteoria Oltreallosviluppoindustrialesi ebbeunimportanteprogressoincampoanaliticoeteorico.Quellochesegueunbrevecennoallaseriedelleconquistefatte.L'analisicircuitaleeletecnichedisintesifuronosviluppate,inmodonotevole,da

* Il termine"amplificatoreoperazionale"venneconiatoda J.R. Ragazzini,un collegadi Millman allaColumbiaUniversitye pi tardiuno deiprofessoridi GrabelallaNewYork University.


gruppiappartenentiailaboratoriBelIealMIT. BodeeNyquistsvilupparonolateoriadell'amplificatorereazionatoetrasformaronoil concettodelcircuitodiBlackinmododigarantirglirinomanzaelargoimpiego.

ShannonnegliStatiUnitieKotelnikovnell'UnioneSovieticasvilupparonoindipen-dentementela teoriadell'informazione,cheavrebbeavutograndeimpattosullatra-smissionedati.Essatrovunaparticolareapplicazionenellatecnicadimodulazioneimpulsivacodificata(PCM)propostadaReeves.

L'usodell'algebrabooleananell'analisieprogettodeicircuitidicommutazionefuunaltrocontributodiShannon(1937).InGranBretagnail concettodimacchinadicalcolouniversalevennepropostodaTuring,mentreWilkessvilupplamicroprogrammazione.

I sistemiadaticampionati,introdottidaRagazzinie Zadeh,venneroimpiegatiinapplicazionidi controllo,aprendola viaai sistemidi controllobasatisull'usodeicalcolatoridigitali.

Lo studiodeimateriali,inparticolarel'applicazionedellameccanicaquantisticaaisolidi,condusseanuovidispositiviepitardiall'invenzionedeltransistore.I trasdutto-ri,dispositivimediantei qualila luce,il suono,lapressione,la temperaturae altrevariabilisonoconvertiteinsegnalielettricieviceversa,vennerointrodottiperbenefi-daredeivantaggioffertidall'elettronica.

Nuoveformedi strumentazione(oscilloscopi,voltmetria valvolaecc.)vennerosviluppatisiapermiglioraregrazieall'elettronicale tecnichedi misurasiaper ilcollaudodegliapparatielettronicistessi.

Gli anni'50furonoundecenniodi transizione.Segnaronolafinedellosviluppodisistemicontubiavuotosofisticatie l'iniziodell'eradeltransistore.Oggiil campodominatointeramentedaidispositiviasemiconduttore,eccezionefattaperleapplica-zioniadaltatensionee altapotenza.In verit,i tubiavuotosonostatipraticamenteeliminatidatuttii programmidistudiodi ingegneriaelettronica.

L'eradeltransistore

io!

L'etdell'elettronicadeisemiconduttoriinizinel1948conl'invenzionedeltransisto-re.Tuttavia,questaeraebbeoriginedal lavorosvoltoin precedenza,tra il 1920e il1945.Durantequestoperiodo,lo studiodelleproprietelettromagnetichedi semicon-duttorie metallierastatoprincipalmentecompetenzadei fisici.Notevolicontributifuronodovutia Block,Davydov,Lark-Horovitz,Mott, Schottky,Slater,Sommerfeld,VanVleck,Wigner,Wilsonealtrinelleuniversitdi tuttoil mondo*.Ci furonoanchetentatividifabbricaredispositivielettroniciastatosolido.LillienthaleHeil, neglianni'30ricevetteroun brevettociascunoper dispositividi amplificazioneallostatosolidochefuronoi precursorideltransistoreagiunzioneedi quelloaeffettodicampoMOS(FET). Tuttavia,questidispositiviavevanoprestazionipocosoddisfacenti;apparente-mentenonsenecomprendevalanecessite,contuttaprobabilit,neppurel'inventorepotevaspiegarela teoriaallabasedel dispositivo.

Un maggioreincentivoperlo sviluppodeidispositiviallostatosolidononarrivfinoal 1945**. I tubiavuotoavevanonotevolilimiti:si consumavaenergiaanchequando

* Siatere Sommerfeldfuronodueprofessoridi Millman.

** I diodia giunzione,tuttavia,venneroampiamenteusatinelle comunicazionia microondedurantelasecondaguerramondiale.

8 Prologo

nonvenivanousatie i filamentisibruciavano,rendendonecessarialasostituzionedeltubo.M. J. Kelly,alloradirettoredellaricercae in seguitopresidentedei LaboratoriBell,capcheunaretetelefonicapivastae affidabileavrebberichiestocommutatorielettronicipiuttostocheelettromeccanicieamplificatorimigliori.Egli formungrup-podi ricercasuicomponentiallostatosolidocomprendentefisiciteoriciesperimenta-li,uningegnereelettronicoeunchimicofisico,il qualelavoravanellaboratorioinsiemeagliespertidi metallurgia.La citazioneseguente trattadall'autorizzazioneal lavorodi questogruppo:"La ricercacompiutain questocasoha comescopoquello diottenereunanuovaconoscenzachepossaessereutilizzatanellosviluppodi compo-nentiedielementideisistemidicomunicazionecompletamentenuovieperfezionati".Unodeipiimportantitraguardifu il tentativodisviluppareunamplificatoreallostatosolidoin gradodi eliminarei difettidel tuboa vuoto.

Scopertadel transistorebipolarea giunzione

Neldicembredel1947furealizzatounesperimentonelqualeduesondedifilod'oropostel'unavicinoall'altraeranopressatesullasuperficiediuncristallodigermanio.Siosservchelatensionediuscitaallasonda"collettore",rispettoalla"base"digerma-nio,eramaggioredellatensionedientrataallasonda"emettitore".BrattaineBardeensireserocontochequestoeral'effettocheavevanosperatodi trovareecheeranato*l'amplificatoreallostatosolidonellaformadeltransistoreapuntodi contatto**.LeprestazionideiprimitransistorieranomoltoscarseEssiavevanoun guadagnoeun'ampiezzadibandabassi,eranorumorosielelorocaratteristichevariavanomoltodadispositivoadispositivo.Shockley,ilcapogruppo,capcheledifficoltnascevanodallepuntedicontatto.Egliproposeil transistoreagiunzioneesviluppquasiimmediata-mentela teoriadelsuofunzionamento.I nuovidispositivifacevanoaffidamentosuportatoridicaricadientrambelepolarit;perquestoeranodispositivibipolari.I dueportatorieranoi famosielettronie altre"particellestrane".L'esistenzadi questeparticellestranesi potevaspiegaresoltantoconlameccanicaquantistica;inoltresicomportavanocomese avesserocaricapositiva.Essevennerochiamate"lacune"poichrappresentavanozonenelcristalloincuimancavanoglielettroni.LateoriadiShockleyprevedevachesipotevanoraggiungeredensitdicorrenteelevateapplican-dopiccolipotenziali.Fusubitoevidentelapossibilitdiottenereimportantidispositividiusopraticosenzafilamentiriscaldati.

Le proprietelettrichedei transistorisi basavanosu un contenutospecificodiimpurezzeattentamentecontrollato(nell'ordinedi 1atomodi impurezzaper 100milionidiatomidigermanio).Di consegunza,nonsipotevanofabbricaredispositiviaffidabilisenonavendoadisposizionecristallieccezionalmentepuriacuiaggiungerele necessarieimpurezze.Teal,nei LaboratoriBell (1950),realizzla crescitadimonocristallidigermanioaventiuncontenutodi impurezzeminorediunapartepermiliardo.Questorisultatoportallafabbricazionedeiprimitransistoria giunzioneaccresciutaacui,unannodopo,seguironoi transistoriagiunzionedi lega.Cos,nel

.L'invenzionefu annunciataduranteunaconferenzastampail 30giugno1948e fu relegatanelleultimepaginedeipochigiornalicheriportanola notizia.

..l.R. Pierce,in seguitodirettoredeiprimiprogettidi comunicazioniviasatellite,coniil termine"transi-stor"comecontrazionedi transfere resistor.


1951,treannidopolascopertadell'amplificazionein unsolido,i transistorivenneromessiincommercio.

L'AmericanTelephoneandTelegraph(AT&T)*preseunadecisioneimportantissi-ma- quelladi nonteneresegretequestescoperte.I membridelsuostafftecnicotennerosimposipercondividereleloroconoscenzeconi professori(i qualinereseropartecipii lorostudenti)econingegneriescienziatidialtreaziende.Vennerooffertibrevettia qualsiasiaziendainteressataallaproduzioneindustrialedi transistori.Leaziendecheproducevanotubia vuoto,qualiRCA, Raytheon,GeneraIElectric,WestinghouseeWesternElectric(il ramoindustrialedellaAT&T), furonoleprimeafabbricaretransistori.Altreaziendeesistentiedinuovaformazionechecompreseroilpotenzialediquestidispositiviprestoiniziaronoaprodurli.

Una di questeaziende,la TexasInstruments,nel suonuovolaboratorioper idispositivia statosolido,a capodelqualeeraTeal,nel 1954comincia produrretransistoridi silicio.Il silicioconsentivail funzionamentofinoa 200C,mentrelevariazioninellecaratteristichelimitavanoi dispositividi germanioai75C.Oggilamaggioranzaschiacciantedeidispositiviasemiconduttorefabbricatainsilicio.

A Bardeen,BrattaineShockleyfuassegnatoil premioNobelperlafisicanel1956perlaloroinvenzionedeltransistoree peril lorocontributoallacomprensionedeisemiconduttori.Questo statoil primopremioNobelassegnatoperundispositivoingegneristicoinquasicinquantaanni.

Invenzionedelcircuitointegrato

Nel1958,pocotempodopoessereentratoafarpartedellaTexasInstruments,Kilbyconcepl'ideadelcircuitomonolitico,ciol'ideadiutilizzareilgermaniooil siliciopercostruireuninterocircuito.Le resistenzedovevanoessererealizzateconil substratodelsemiconduttoreoppurediffondendounsemiconduttorein unaltro.Usandounostratometallicoe il semiconduttoreper le armaturee unostratodi ossidoperildielettrico,Kilbyformi condensatori(preseancheinconsiderazioneil condensatoreagiunzione).Perdimostrarechelasuaideaerarealizzabile,eglicostruunoscillatoreeunmultivibratoredigermanio,realizzandoleinterconnessionidelcircuitoconunfilod'orosaldatotermicamente.Tuttavia,nelladivulgazionedelbrevetto,egliindiccheleconnessionidelcomponentesi potevanootteneremediantela deposizionedi unostratoconduttore.Kilbyannunciil suocircuitosolido[inseguitochiamatoil circuitointegrato(IC)]duranteunconvegnoIRE, nel1959.

All'incircanellostessoperiodo,ancheNoyce**ebbel'ideadelcircuitomonoliticoperfare"pidispositivisuunsolopezzodisilicio,alloscopodi realizzareleintercon-nessionitrai dispositivicomepartedelprocessoindustrialeeridurreintalmodoladimensione,il pesoecc.,comeancheil costoperelementoattivo".Egliindicinchemodosipotevanofabbricarele resistenzee i condensatori,comesipotevanousaregiunzionipnperisolarei dispositivil'unodall'altro***ecomesipotevanoottenerele

t

.I laboratoriBell sono il ramo di ricerca della AT&T.**Noyceera in quel tempoil direttoredella Ricercae Sviluppopressola Fairchild Semiconductor.

Successivamente,fu unodeifondatorie presidentedel consigliodi amministrazionedellaIntel.

**. Lehovec,direttoredellaricercapressolaSpragueElectricCompany,concepindipendentementequestaideaper laqualeglivenneconcessoun brevettonel 1959.

lO Prologo

interconnessionitrai componentidelcircuito,facendodepositaremetalloevaporatoattraversoaperturepraticateinunostratodi ossido.

Laverachiaveperlafabbricazionedeicircuitiintegratiful'introduzionedeltransi-storeplanareelaproduzionedimassa.Il processoplanareusavatransistoriincuileregionidibasee diemettitoreeranodiffusenelcollettore.I primitransistoridiffusivennerosviluppatidaHoerniallaFairchild(1958).Un p(i.SSOimportanteperunaproduzionesoddisfacentefu lapassivazionedellegiunzionipermezzodi unostratosuperficialedi ossido.Le tecnichedi fabbricazioneusatefuronola litografiae ladiffusione,sviluppatein precedenzadaNoycee Moore.La produzionedi massaconsistevanelrealizzaremolti"chip",comesi definivanocolloquialmentei circuitiintegrati,suunasolafettadi silicio.Versoil 1961sia la Fairchildsia la TexasInstrumentsproducevanocommercialmentecircuitiintegrati,seguitepocotempodopodaaltreaziende.

Le industriemicroelettroniche

Oggi,oltreaisingolicircuiti,sipossonofabbricaresottosistemieperfinointerisistemicontenentimigliaiadicomponentisuunsolochipdisilicio.Il termine"microelettroni-ca"designail progettoelafabbricazionediquesticircuitiintegratiadaltadensitdicomponenti.Nel 1964Moore*notcheil numerodeicomponentisuunchiperaraddoppiatoogniannodal1959,quandovennepresentatoil transistoreplanare.Eglipredissegiustamentechequestoandamentosarebbecontinuato.Un grossochiphaun'areadi3per5mm2soltantoeunospessoredi0.3mm(circatrevoltelospessorediuncapelloumano).Versoil 1984talichippotevanocontenerepidi400000compo-nenti,corrispondenti.a 30000componentiper millimetroquadrato.Non facilegiustificaretalidati,inparticolareperchi circuitiintegrativengonoprodottiinunostabilimentoindustrialee nonin condizionidi laboratorio.Le seguentidatedannoun'indicazioneapprossimativadell'aumentodeicomponentiperchip:

1951- componentidiscreti;

1960- integrazionesupiccolascala(SSI),menodi 100componenti;1966- integrazionesumediascala(MSI),da100finoa 1000componenti;

1969- integrazionesulargascala(LSI),da1000finoa lO000componenti;

1975- integrazionesularghissimascala(VLSI)**,oltrelO000componenti.

Le industrieelettronichesipossonodividereinproduttricidi chipe utilizzatricidichip.Le produttricidi circuitiintegraticostituisconoil settorepi importantedelleindustriedicomponenti,mentreleutilizzatricidichipsonomoltospessoleaziendecheproduconoapparecchiaturepercomunicazioni,dicontrolloe calcolatori.Dall'inven-zionedeicircuitiintegrati,molteinnovazionihannocontribuitoallacrescitadellamicroelettronica.Parecchiedi questesonodescrittenellaparterimanentedi questoparagrafo.

* Mooreeraalloradirettoredellaricercapressola Fairchilde in seguitofu unfondatoree presidentedellaIntel.

** Intornoal 1984moltissimichipVLSI contenevano100000o picomponenti.


Rtransistorea effettodicampo Moltodellavorocheportall'invenzionedeitransi-storibipolariimplicavastudidell'effettocheuncampoelettricoapplicatoavevasullaconducibilitdeisemiconduttori.Nel1951,Shockleyproposeil transistoreagiunzioneaeffettodicampo(JFET) mai primitentatividifabbricazionefallironoperl'impossi-bilitdiottenereunasuperficiestabile.Questadifficoltvennesuperataconl'introdu-zionedelprocessoplanareedellapassivazioneconossidodisilicio(SiOz).Nel 1958venneprodottoil primoJFET daTesznerin Francia.

Letecnicheusateperrendereaffidabilii JFET portaronoaundispositivoanchepiimportante,il transistoreaeffettocampometallo-ossido-semiconduttore(MOSFET).Lastrutturaconsisteinunelettrodometallico(il gate)postosuSiOztradueelettrodinelsemiconduttore(sourcee drain).La correntenel"canale"trasourceedrainpuesserecontrollataapplicandounatensioneappropriatatrail gateeil semiconduttore.AtallaeKahng(1960),pressoi laboratoriBell,riportaronoilprimodispositivosiffatto.Dueannidopo,aHofsteineHeimandellaRCA furiconosciutounbrevettoperil lorosviluppodiMOSFET adattiallafabbricazioneintegrata.Successiviperfezionamentinelprocessodifabbricazioneenelprogettodeldispositivoelosviluppodell'industriadeicalcolatorihannofattoschei dispositiviMOSsianoi transistorimaggiormenteusati.

Circuitiintegratidigitali La crescitadell'industriadeicalcolatoridetteimpulsoallosviluppodinuovicircuitiintegrati;a lorovolta,circuitiintegratidi nuovaconcezioneportaronoanuovestrutturedicalcolatori.Duedeimaggioriprogressiconsistetteroinnuoveconfigurazionicircuitaliememoriea semiconduttore.

Velocit,consumodienergiaedensitdicomponentisonocaratteristicheimportan-tideicircuitiintegratidigitali.Unaprimafamiglialogicabipolareeracostituitadallalogicaatransistoriaccoppiati,inventatadaBuie(1961)dellaPacificSemiconductor*,dacuiderivlalogicatransistore-transistore(TTL) standard.Un'importantecaratteri-sticadellaTTL l'usodeitransistoriconemettitorimultipliperaumentareladensitdicomponenti.Unalineadiprodottibipolariadaltavelocit,conosciutacomelogicaaemettitoriaccoppiati(ECL),venneintrodottadallaMotorolanel1962.Chipbipolariadensitmoltoelevatasiottenneroutilizzandotransistoriconcollettorimultipli(1972).SviluppatasimultaneamentedaHarte SlobdellaPhilips(Olanda)e daBergereWiedmandellaIBM (Germania),questanuovatecnologiachiamatalogicaintegrataainiezione(FL).

L'usodeiMOSFET fu subitoallettanteperchsi potevanootteneredensitdicomponentimoltoelevate.Inorigine,unaproduzioneaffidabileimpiegavaidispositiviPMOS- cioi MOSFET il cuifunzionamentosi basasulflussodi lacune.Metodiperfezionatidi fabbricazioneportaronoall'usodidispositivimetallo-ossido-semicon-duttorea canalen (NMOS).In questitransistorila conduzioneavvienetramiteglielettroniecidcomerisultatounamaggiorevelocitdifunzionamento.AttualmentelatecnologiaNMOS predominante.

Lastrutturametallo-ossido-semiconduttorecomplementare(CMOS),unaconfigu-razionecircuitaleutilizzantesiadispositiviPMOS siaNMOS,venneutilizzataperlaprimavoltanegliorologidigitaligrazieal suoconsumodi energiaestremamenteridotto.Recentiprogressi,qualil'usodigatedipolisilicioelariduzionedelledimensio-ni deldispositivo,hannoresoi circuitiCMOS unadellepi importantitecnologie

l,

.La Pacific Semiconductor fa ora parte della TRW.

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12 Prologo

digitalideglianni '80.Molto probabilmentela tecnologiaCMOS avrla megliosuquellaNMOS versoil 1990.

proprionellememorieasemiconduttorechei MOSFET si dimosttanosuperiori.Le memorieadaccessocasuale(RAM), ingradosiadi immagazzinaresiadi restituireidati(scriveree leggere,rispettivamente),venneroprimasviluppateusandotransistoribipolarie postein commercionel 1970.QuesteprimeRAM immagazzinavanocirca1000bit d'informazione.Con l'usodellatecnologiaMOS, nel 1973eranodisponibiliRAM a16000bit,nel1978chipa64000bitenel1982RAM a288000bit.Nel1986eranodisponibilichipda1000000dibit. ~

Lememoriea solalettura(ROM), usatepertabelledi ricercaneicalcolatori(peresempio,permemorizzarei valoridisinx),vennerointrodottelaprimavoltanel1967.SviluppisuccessiviincluseroROM programmabili(PROM) e PROM cancellabili(EPROM),incuisipotevanorimuovere(cancenare)i datiimmagazzinatieimmagaz-zinarnealtri.

OltrelametdeicircuitiintegratiMOSprodottinel1970fuusatanellafabbricazio-nedeicalcolatori.Neltentativodistandardizzareilprogettodeichippurmantenendoicircuitibrevettatirichiestidaiclienti,parecchiproduttoridicircuitiintegratiproposerolasegmentazionedell'architetturadelcalcolatorenellesuefunzionicircuitali.Questoconcettoportalmicroprocessore,sviluppatoperprimodaM.E. Hoff dellaIntel(1969).MicroprocessoriaquattrobitvennerointrodottidallaIntel(1971),seguitiunannodopodaundispositivoa8bit.Presto,anchealtricostruttoriprodusseromicro-processorie,versolafinedel1970,furonodisponibiliunita 16bit.Lo sviluppodelmicroprocessoreportal"computersusingolochip".A CochraneBoonedellaTexasInstrumentsottenneroun brevetto,registratonel 1971,per un microcomputerasingolochip,sebbene1'8048dellaIntelsiastatoil primoprodottodisponibilecommer-cialmente.

Un altrosviluppochenascedallatecnologiadeiMOS il dispositivoadaccoppia-mentodicarica(CCD).Il CCD, inventatodaBoylee Smithpressoi laboratoriBell(1970),consisteinundispositivoMOSincuisiformaunalungacatenadigatemoltovicinil'unoall'altrotraildraineil source.Lecaricheintrodottenelcanalesottoi gate,possonoesseretrasferitedaungatealsuccessivoapplicandotensionidi gateappro-priate.TalidispositivisonostatiusatipermemorieeregistriconunaRAM da64000bitfabbricatanel1977.Recentemente,i CCD hannotrovatoapplicazionenell'indu-striadelletelecamere,nellaelaborazionedell'immaginee nellecomunicazioni.

Circuitianalogici Il primosviluppoimportanteneicircuitiintegratianalogicivennenel1964quandoWidlar,alloraappartenenteallaFairchildSemiconductor,sviluppilprimoamplificatoreoperazionale(il /-LA709).Daalloral'amplificatoreoperazionaledivenutoilcavallodibattaglianell'elaborazionedelsegnaleanalogico.Successivamen-te,sonostatisviluppatialtricircuitie sottosistemiqualimoltiplicatorianalogici,con-vertitoridigitale-analogico(D/A)eanalogico-digitale(AID) efiltriattivi.Lamaggiorpartediquesticircuitiimpiegatransistoribipolari,madallafinedeglianni'70sonostatiusatianchei dispositiviMOS.

Tecnichedi fabbricazioneL'aumentodelladensitdi componentidevemoltoacoloroi qualimiglioraronoi processidi fabbricazione.Questiprogressiincludonolacrescitaepitassiale(1960),laproduzionedellemaschereconfascioelettronico(1969)el'impiantazioneionica(1971).Lalarghezzaminimadellegeometrierealizzatesuichip,


25,...mnel1961,attualmenteinferiorea2 ,...m.Poichl'areadiminuisceeladensitaumentaconilquadratodelladimensionelineare,possiamoprevederecheperlafinedi questodecennioi circuitiavra,nnounadensitdi componentioltre600voltesuperiorea quelladeiprimicircuitiintegrati.Altri contributiper il progettoe laproduzionedicircuitiintegratiaffidabili,statolo sviluppodelprogettoassistitodalcalcolatore(CAD) e delcollaudoautomatizzato.I programmiSPICE e SUPREM,elaboratipressol'UniversitdellaCalifomiaa Berkeleye pressol'UniversitdiStanford,rispettivamente,sonoduestrumentiCAD ampiamenteusati.

Dagliinizideglianni'60quandosoltantoalcuneaziendeproducevanocircuitiintegrati,l'industriasisviluppataincredibilmente.Peresempio,nellaSiliconValley*siformarono24nuoveindustriedimicroelettronicatrail 1967eil 1969soltanto.Versoil 1984oltre100dittenegliStatiUniti eranooccupatenellaproduzionedi circuitiintegrati.

Industriedi comunicazionie di controlli

Questeindustriehannogradualmenteadottatodispositivielettroniciallostatosolido.Oraquasitutteleapparecchiaturesonotransistorizzate,eccettoquellechelavoranoadaltatensioneoaltapotenza.Sonoutilizzatisiatransistoridiscretisiacircuitiintegrati.Icomponentidiscretivengonousatisoprattuttoin applicazioniamediatensioneo nelcasodi applicazionidi potenzacheincludonounaelettronicadi tipotradizionale"industriale"odiconsumo(stadidiuscitaaudio,sistemidiaccensionedell'automobile,interruttoridi potenzaperunitnastro,alimentatoriecc.).I circuitiintegratisonoutilizzatipermoltissimealtreapplicazioni.

L'industriadellecomunicazionicambiatadrasticamenteacausadellamicroelet-tronica.Nel1970latrasmissionedaticostituivaunapiccolissimafrazionedelvolumetotaledituttelecomunicazioni.Dal1980,tuttavia,latrasmissionedigitalehaeguaglia-too superatola trasmissioneanalogica.L'adozionediffusadellatrasmissionePCMpuesseredirettamenteattribuitaallamicroelettronica.I sistemitelefonicioggiimpieganocircuitiintegratidigitaliperlacommutazioneelamemoria.Filtriattivisiaperlavocesiaperlarivelazionedeitonineisistemidiselezioneamultifrequenzasonorealizzaticoncircuitiintegratianalogici.Ovviamente,i satellitiperlecomunicazionidivenneropossibiliedeconomicamentecompetitivigrazieallamicroelettronica.

L'introduzionedellacomunicazionedigitalehaportatdamolteinnovazionicircuita-li.Alcunediquestesonomodificazioniingegnoseconcuii circuititradizionalisonostatiadattatiallenuovetecnologieeusi.Altresononuove;traquestevisonoi filtriacondensatoricommutatie i filtridigitali.

Unsettoredell'elettronicacompletamentenuovo,chiamatoelaborazionedigitaledeisegnali,siformatograzieaicircuitiintegratichehannoresopossibileil "connubio"tracomunicazionie calcolo.

Analogamente,l'industriadeicontrollistatafortementeinfluenzatadall'introdu-zionedell'elettronicadeisemiconduttori.In alcuneareetradizionali,qualii controllidivelocitpermotori,i raddrizzatoriegliinverterdipotenza,il diodocontrollato(SCR),undispositivobipolareatregiunzioni,hasostituitoil thyratron.All'iniziodell'eradeltransistore,nelcontrollonumericodellemacchineutensilivennerousatipiccolicalco-

.La SiliconValley situataa suddellabaiadi SanFrancisconellaconteadi SantaClarain Califomia.

14 Prologo

latoridedicati.L'automazionedeiprocessiindustrialivenneresapossibiledaigrandicalcolatorielettronici.

L'introduzionedeimicroprocessori,dei microcomputere di altri circuitiintegratidigitalihaportatoaglistrumenti"intelligenti"e aunavarietin continuoaumentodisistemidigitalidi controllo.Con la microelettronica,i calcolatorisonodiventaticom-ponentiintegrantideisistemidi controllo.

L'industriadeicalcolatori

Laconseguenzapisensazionaledellacrescitadellamicroelettronicastatalaveraepropriacreazionedi un'industriacompletamentenuova- la modernaindustriadeicalcolatori.Mentreoriginariamenteil calcolatoreelettronicosi basavasul tuboavuoto,l'impattodellatecnologiaasemiconduttorefu sentitoimmediatamente.

II primocalcolatoretransistorizzato,perapplicazionispecifiche,vennerealizzatodaCray*(1956).II calcolatore709017094dellaIBM (1959)fuil primocalcolatorediusogeneraledellasecondagenerazione,ciounamacchinatransistorizzata.I circuitiintegratiibridi(molticomponentidiscretisudiununicosubstrato)caratterizzaronoicalcolatoridellaterzagenerazione(IBM 360del1964).Nellostessotempo,anchealtriproduttori,inclusiBurroughs,ControlDatae Univac,introdusseromedie grandicalcolatoricontenenticircuitiintegrati.Le memorieasemiconduttorevenneroutiliz-zatesuccessivamentenellemacchinedellaterzagenerazione(IBM 370del1970).

Nel 1965ebbeinizioun'altrarivoluzionenell'industriadeicalcolatori,quandolaDigitalEquipmentCorporationpresentil suominicalcolatorePDP8,laprimamac-chinaconuncostoinferioreai20000dollari.Daallora,ilminicalcolatorehaconquista-tounruolodi primariaimportanzanell'industria,chehacoinvoltomolteaziendedituttoil mondo.

Neglianni'80,si sviluppatoedentratain commerciolaquartagenerazionedimacchine.QuesticalcolatoriimpieganochipVLSI siaperl'elaborazionesiaperlamemoria.Oggi,i calcolatorielettronicisonodisponibiliin unavarietdi dimensionichevannodalmicroprocessorepisempliceai supercalcolatoriin gradodi eseguiredecinedimilionidi istruzionialsecondo.

Molteinnovazionihannopermessodi ottenerevelocitpielevate,unamaggiorecapacitdicalcoloeunaelaborazionepiflessibile.Oltreachipadaltadensitpirapidi,questeincludonol'elaborazioneparallela,il pipelininge nuoveideeper icompilatorie gli assemblatori.Inoltre,l'usoin suddivisionedi tempoe il calcolodistribuitohannoavutouneffettoimportantesull'utilizzazionedelcalcolatore.

L'impattodellamicroelettronicavenneespressoinmodoassaiefficacedaNoycenel1977:"Il microcalcolatoredioggi,checostacirca300dollari,haunacapacitdicalcolomaggioredelprimogrossocalcolatoreelettronico,l'ENIAC.Esso20voltepiveloce,haunamemoriapigrande,migliaiadivoltepiaffidabile,consumalapotenzadiunalampadinaanzichquelladiunlocomotore,occupa1/30000delvolumee costa10000voltemeno. disponibilesuordinazionepercorrispondenzaopressoil vostronegoziodihobbystica".

* CrayunfondatoredellaControlDataCorporation in seguitofondlaCrayComputers,costruttricedeipiveloci"supercalcolatori"attualmentedisponibili.


Il futuro

Durantelamaggiorpartedellavostravita,vistatopossibilericeverecomunicazionitelevisiveincollegamentodirettodaognipartedelmondoo,addiritturadamilionidimiglianellospazio.Ci chestupiscenon il fattochequestisonoeventiquasiquotidiani,macheessisipossanoverificare. unfattochedestasgomentoconsiderarechequalcunoalCentroSpazialeJohnsonpuazionareuninterruttoreedareistruzio-neaunveicolospaziaielontanounmiliardodichilometridimettereinfunzionelasuatelecamera,metterlaafuocoeinviareimmaginisullaTerra(ancheallavelocitdellaluceoccorronocircadueorepertrasmetterel'istruzioneericeverei segnali).Nientedituttoquestosarebbepossibilesenzaleconquistedell'elettronica,culminateneicircitiintegratidescrittinelleduepartiprecedenti.Tuttavia,propriocomequesta storiairisultatiraggiuntiindicanoladirezionefuturadell'elettronica.

Lacapacitdi trasmettereimmaginitelevisivedaunveicolospazialeesigechegliapparatidicomunicazione,dicalcoloedicontrolloagiscanoall'unisono,comeunasolaentit. evidentecheleareedell'elettronicasistannofondendoei sistemielettronici"intelligenti"chenerisultanosonoalcentrodell'etdell'informazione*.

Il connubiotracomunicazionisulargascalaecalcolatoriabassocostohagiiniziatoa penetrarequasiin ogniaspettodellasociet.Oltrealletradizionaliapplicazioniindustriali,l'efficienzaelarelativafacilitconcuil'informazionepuessereimmagaz-zinata,ricuperata,manipolataetrasmessahainfluitosudi noinellenostrecase,neinostripostidi lavoroe suinostrimezzidi comunicazione.L'automazioned'ufficio(sistemidielaborazionedeitesti,postaelettronicaecc.)statrasformandoil nostromododilavorareei luoghiincuioperiamo.Lagestionedell'energia,il controllodegliapparecchi,i sistemidi sicurezza,la televisioneviacavoe il "personalcomputer"costituisconoalcuneapplicazionimicroelettronichenellecase.Il sistemadi controllocomputerizzatoBayAreaRapidTransit(BART) dellametropolitanadiSanFranciscoel'accensioneelettronica,il controllodell'emissionedeigase i sistemidi sicurezzadelleautomobilisonoesempidelforteimpattodell'elettronicasuitrasporti.Ladiffu-sionedell'elettronicaaumenteratalpuntocheNoycehapredettocheversolafinediquestosecolol'elettronicasarcomeil motoreelettricodioggi:talmentediffusochenessunoglifapicaso.

Noicrediamochele industrieelettronichecontinuerannoa esserele quattroC:componenti,comunicazioni,calcoloecontrollo.Sarmoltodifficilericonoscerlecomeentitseparateperchessesi fonderannosemprepi.Similmente,ladistinzionetradispositivo,circuitoesistemadiventersempremenonetta.Peril prossimodecennio,latecnologiadelsiliciodominerl'elettronica.Tuttavia,i risultatidellericerchesuinuovimateriali,inparticolarel'arseniurodigaIIio(GaAs)comincerannoconbuonaprobabilita giocareun ruoloimportante**.

Il pesocheavrlamicroelettronicainfuturoevidentedalleseguentistatisticheeproiezioniperil mercatodell'elettronicanegliStatiUniti (inmiliardididollari):

111

11\

l:

i.1

.L'era che dagli anni '80 si estendeal ventunesimosecolo statachiamata "l'et dell'informazione", e nonsenzaragioni:pidel50%dellaforzalavorodegliUSA puessereclassificatacome"operatoridell'infor-mazione".

.. C' anchel'ipotesi che i materiali organici, come il DNA, possano trovare impiego nell'elettronica entro lafine di questosecolo.

fll. ,

Venditedi sistemielettroniciVenditedi circuitiintegrati

21511

40035

16 Prologo

1985 1990

Questeproiezioniindicanochelacreativite l'ingegnositdegliingegneriescien-ziatidelpassatosarannoil trampolinoperil talentodell'ingegneriadelfuturo.

Bibliografia

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Elettronica-Millman J Grabel a -Microelettronica