Il ritorno dei tubi a vuoto, ovvero: come ti reinvento il transistor

tubi a vuoto

A volte verbi come “sviluppare”, “creare” ed “inventare” possono voler dire semplicemente che qualcosa che abbiamo avuto sotto gli occhi per tanto tempo può essere guardata da un punto di vista diverso. Ed è proprio da questo presupposto che è nata una ricerca grazie alla quale arriva la riscoperta dei tubi a vuoto ed una prospettiva concreta per la microelettronica.

Quando ad un terzetto di ingegneri, capitanati da Bill Shockley, riuscì di inventare il primo transistor allo stato solido presso i laboratori Bell nell’ormai lontano 1947, probabilmente il loro primo pensiero fu di essere riusciti a creare qualcosa che avrebbe consegnato definitivamente il tubo vuoto all’oblio. Proprietaria dei laboratori Bell all’epoca era la AT&T, al secolo American Telephone and Telegraph Incorporated, una compagnia telefonica statunitense con sede nello stato del Texas. Già, perché degli americani tutto si può dire tranne che non abbiano un’idea chiara di che cosa voglia dire il binomio “ricerca e sviluppo”. Una compagnia telefonica che produce eccellenza, investendo senza limiti e facendo ricerca su tecnologie ancora non esistenti piuttosto che cercare di dare risposte a breve termine al mercato. Qualcosa che probabilmente non succederebbe mai in Italia.

In quegli stessi laboratori, tanto per fare degli esempi, sono state sviluppate una serie di tecnologie come i MOSFET, i CCD ma anche il linguaggio C e la prima rete wireless. Insomma, in questa sede, il concetto di “sviluppo”, nella sua essenza, ha trovato una valida manifestazione, anche in virtù del fatto che qui hanno lavorato alcuni premi Nobel.

Quello che la compagnia voleva era un metodo per rimpiazzare il tubo a vuoto, che era fatto di vetro e quindi tendenzialmente era molto fragile. Quello che, invece, fu inventato in realtà è stato il fondamento dell’elettronica così come la conosciamo oggi. Prima di continuare, vediamo meglio di che si tratta.

All’origine dell’elettronica come la conosciamo oggi

Il tubo termoionico, o valvola se preferite, dal punto di vista costruttivo, è molto simile ad una lampadina. La sua struttura è semplice perché prevede solamente, come accennato, un involucro di vetro (che talvolta può essere di metallo oppure di ceramica) nel quale è praticato il vuoto. Al suo interno viene inserito un filamento metallico che viene portato ad incandescenza grazie al passaggio di corrente. Ovviamente la temperatura dipende dal materiale ma tipicamente ci aggiriamo attorno ad un valore di 2000 °C. E qui, nel suo funzionamento, la sua prima differenza con la lampadina: all’interno vengono anche inseriti uno o più elementi metallici che sono collegabili dall’esterno. Il filamento in oggetto costituisce il catodo, o meglio lo è il suo rivestimento metallico. L’elemento metallico più esterno, invece, è l’anodo. È possibile che, come vedremo più avanti, in talune valvole siano presenti anche ulteriori elementi, che svolgeranno una funzione di controllo.

Dicevamo incandescenza, perché è proprio questo il principio di funzionamento, ovvero l’emissione termoionica: qualsiasi metallo, portato ad incandescenza (quindi grazie all’elevatissima temperatura), emette elettroni. L’anodo, polarizzato positivamente, catturerà gli elettroni che vengono emessi. Nel caso di polarizzazione opposta, è evidente, non ci sarà corrente perché la polarizzazione respingerà gli elettroni in transito. Il risultato è, ovviamente, un diodo!

Una variante è rappresentata dalla configurazione di triodo. Quando tra catodo e anodo viene posta una griglia metallica, questa può essere polarizzata in maniera “intermedia”. Infatti, il suo potenziale potrebbe essere positivo rispetto al catodo ma negativo rispetto all’anodo. Fermo restando il funzionamento descritto in precedenza, gli elettroni emessi dal catodo saranno attratti dalla griglia, passeranno attraverso le maglie e raggiungeranno l’anodo. Se la tensione applicata alla griglia fosse variabile, si potrebbe ottenere un passaggio di corrente amplificato o, comunque, modulato.

Questa configurazione, in particolare, ha delle varianti che sono tetrodo, pentodo, eptodo, e così via, il cui nome deriva dal numero di griglie di controllo implementate.

Le configurazioni

L’impiego di questi tubi è stato classificato a seconda del numero di elementi attivi contenuti, come si intuisce da quanto detto fino a questo momento, ed anche l’utilizzo conseguente è stato altrettanto differenziato. Il diodo è stato utilizzato, per esempio, come raddrizzatore.

I triodi, invece, hanno spesso costituito uno stadio di preamplificazione del segnale audio a basso livello. Difficile è stato pensare di utilizzarli nell’ambito delle radiofrequenze per via delle elevate capacità parassite (presenti soprattutto nella regione compresa tra la griglia e l’anodo).

Il pentodo ha rappresentato un vero e proprio punto d’arrivo nello sviluppo della valvola per via delle sue caratteristiche: alta amplificazione, larga banda passante, bassa distorsione del segnale e, quindi, buona linearità. Il loro impiego è stato importante negli stadi d’uscita ma anche nell’elaborazione dei segnali alle radiofrequenza.

Va detto, ed è importante citare questo particolare, che questa tecnologia è stata largamente adoperata nella riproduzione audio ad alta fedeltà e tuttora sono tantissimi, in giro per il mondo, a sostenere che i transistor non possono essere considerati dei validi sostituti. E ciò nonostante esse siano state, di fatto, ormai soppiantate da tempo dai circuiti a semiconduttore. Tuttavia alcune case produttrici che operano in questo mercato, ormai di nicchia, continuano ancora a produrre amplificatori a tubi per l’impiego nella riproduzione musicale di alto livello.
Questa scelta viene giustificata, da parte degli amanti e dei cultori, per via dell’elevata “musicalità” che caratterizza un amplificatore valvolare.
Queste apparecchiature, ormai uscite dalla produzione di massa e quindi molto costose, sono contraddistinte da una grande “morbidezza” del suono; nulla a che vedere con le “asprezze” che, sostengono, spesso caratterizzano le “moderne” registrazioni.

Che cosa potrebbe cambiare

Risulta, quindi, piuttosto difficile trovare tubi a vuoto, o valvole, all’interno dei dispositivi oggi in commercio. L’abbattimento dei costi, la modernizzazione dei processi tecnologici, la produzione di massa che si è spostata, insomma tutto ha contribuito a che i transistor soppiantassero questa tecnologia.

Tuttavia i tubi a vuoto potrebbero avere presto la possibilità di risorgere. Infatti, come accennato in apertura, alcuni ricercatori dell’Università di Pittsburgh stanno studiando per cercare di capire se esista la possibilità di sostituire i dispositivi di silicio con tubi a vuoto come “mezzi di trasporto” per gli elettroni. Ciò risulterebbe utile per costruire sistemi elettronici che siano più veloci e/o più efficienti. Una forma di ritorno al passato, se vogliamo, grazie alla quale potremo scoprire che quella tecnologia non era poi così immatura come pensavamo.

I tubi a vuoto potrebbero, quindi, avere ancora qualcosa da dire.

Un altro aspetto di questa questione riguarda la legge di Moore, considerata per lungo tempo dalla comunità mondiale come il paradigma dello sviluppo tecnologico, la quale spiega quale sia il trend delle dimensioni dei transistor. Tuttavia, in questo annuncio si legge la posizione di Kim, ricercatore al lavoro sul progetto, che spiega che “il limite più importante alla velocità dei transistor è determinato dal tempo di transito degli elettroni” cioè dal tempo che l’elettrone impiega per attraversare il dispositivo da una parte all’altra. In pratica gli elettroni che transitano all’interno di un dispositivo a semiconduttore sperimentano frequentissimi fenomeni di collisione, nonché di scattering.

È noto, infatti, che il motivo per il quale la tecnologia del silicio ha dei limiti è legato al riscaldamento. Poiché la conduzione è il risultato della propagazione degli elettroni all’interno di un reticolo cristallino grazie ad una sequenza di urti parzialmente anelastici successivi. Si ha, quindi, trasformazione di energia cinetica, posseduta dagli elettroni, in energia ceduta al reticolo. La quota parte di energia ceduta in queste collisioni si trasforma in calore. E questo eccesso termico deve necessariamente essere dissipato, a pena di ottenere prestazioni degradate. I sistemi di raffreddamento, non soltanto per i computer così come li conosciamo oggi e che abbiamo in casa, necessitano della presenza di ventole, sistemi di dispersione e, in taluni casi, di soluzioni ad acqua.

Dato che è impossibile eliminare l’effetto collaterale del riscaldamento fintanto che la propagazione sarà affidata a questi portatori, il miglior modo per risolvere questo tipo di problema è di non utilizzare alcun mezzo da far attraversare agli elettroni. Questo dipende dal fatto che indipendentemente dalla densità di atomi che caratterizza il mezzo in questione, e quindi indipendentemente dallo stato di aggregazione del materiale in oggetto, tali fenomeni avverrebbero comunque. Ecco per quale motivo il vuoto rappresenta una possibilità reale ed interessante.

Nonostante quest’idea abbia il sapore, come detto in precedenza, del ritorno al passato, Kim precisa che non si tratta di un revival fine a se stesso del tubo a vuoto ma piuttosto quello che stanno costruendo è un dispositivo che si basa sulla tecnologia odierna ma che sfrutti il concetto del vuoto. Un sistema, quindi, in grado di “estrarre” gli elettroni dal mezzo per “consegnarli” a canali a vuoto che siano localizzati sulla superficie del circuito.

Queste ricerche potrebbero, ovviamente, condurre a dispositivi commerciali, se dovessero avere successo. Si intuisce che questo potrebbe portare ad una nuova era di sviluppo per la microelettronica, che vedrebbe la comparsa di dispositivi molto veloci, di più piccole dimensioni e che consumino anche poca potenza. E questi vantaggi, già interessanti, si accompagnerebbero all’assenza della necessità di un sistema di dissipazione della temperatura.

Il team di ricerca del dottor Kim ha pubblicato le conclusioni dello studio dalle quali si evince che questa tecnologia potrebbe avere grandi ripercussioni soprattutto nel mercato dei personal computer. Tuttavia non si tratta dell’unica possibilità perché anche il mercato  degli smartphone e dei tablet ne trarrebbe grande giovamento, senza parlare della più logica delle conseguenze: la legge di Moore andrebbe necessariamente rivista.

 

Quello che hai appena letto è un Articolo Premium reso disponibile affinché potessi valutare la qualità dei nostri contenuti!

Gli Articoli Tecnici Premium sono infatti riservati agli abbonati e vengono raccolti mensilmente nella nostra rivista digitale EOS-Book in PDF, ePub e mobi.

volantino eos-book1

Vorresti accedere a tutti gli altri Articoli Premium e fare il download degli EOS-Book?
Allora valuta la possibilità di sottoscrivere un abbonamento a partire da € 2,95!

Scopri di più

16 Comments

  1. MAX_THE_SAX 3 marzo 2013
  2. MAX_THE_SAX 1 marzo 2013
  3. Pedroncelli Vincenzo 22 febbraio 2013
  4. giovanni1 22 novembre 2012
  5. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 22 novembre 2012
  6. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 22 novembre 2012
  7. Boris L. 22 novembre 2012
  8. Boris L. 22 novembre 2012
  9. Boris L. 22 novembre 2012
  10. Luca.Ruggeri 16 gennaio 2013
  11. MAX_THE_SAX 1 marzo 2013
  12. MAX_THE_SAX 1 marzo 2013
  13. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 2 marzo 2013
  14. MAX_THE_SAX 2 marzo 2013
  15. LUIGI PAPALEO 15 dicembre 2014
  16. dantave dantave 20 gennaio 2015

Leave a Reply