A sociedade do conhecimento é governada pelo transistor. Mas o que está por trás da descoberta desse incrível dispositivo eletrônico? É o que nos conta o físico Carlos Alberto dos Santos em sua coluna deste mês.

A cereja no bolo da microeletrônica

Símbolo do transistor desenhado em calçada na Universidade de Aveiro, em Portugal. A invenção desse dispositivo deu início à microeletrônica. (foto: João Pimentel Ferreira – CC BY-SA 3.0)

Estamos na era do transistor. Esse dispositivo, cujos fundamentos foram descobertos nos anos 1940, é a base tecnológica que suporta a sociedade do conhecimento. Desde que surgiu, sempre foi um dispositivo eletrônico popular. Seu nome foi usado como peça de propaganda de rádios e televisores e os chips dos computadores são construídos com milhares desses dispositivos.

 

O transistor começou a se insinuar antes da era do rádio e das válvulas a vácuo. As razões pelas quais se manteve escondido por mais de um século são tão importantes para a história da ciência e para estudos epistemológicos quanto sua funcionalidade o é para a microeletrônica.

 

Para não deixar nada que interessa em suspenso, adiantamos que o transistor é construído com semicondutores, e que esse tipo de material tem uma propriedade essencial para o funcionamento do transistor e outra que é bastante útil tecnologicamente. A primeira é que nos semicondutores é possível fazer com que a corrente elétrica circule mais facilmente em um sentido (sentido de fácil condução) do que no sentido contrário. Na verdade, a corrente no sentido contrário é tão pequena, que se diz na prática que ela só circula em um sentido.

 

Então, se uma corrente alternada (que tem dois sentidos) entrar em uma extremidade de um semicondutor convenientemente preparado, na outra sairá a corrente de um dos sentidos, ou seja, sairá uma corrente contínua pulsada. Diz-se que a corrente foi retificada. Portanto, o semicondutor pode ser um retificador. A segunda propriedade é que alguns semicondutores são muito sensíveis à luz, ou seja, são fotocondutores.

 

Essas propriedades podem ser controladas por meio de dopagem com pequenas quantidades de impurezas. Algumas delas – o fósforo, por exemplo – cedem elétrons para o semicondutor, de modo que se tem um semicondutor tipo-N. Outras, a exemplo do boro, extraem elétrons do semicondutor, resultando em um semicondutor tipo-P.

 

No transistor, a manifestação dessas propriedades ocorre em uma finíssima camada que fica entre um metal e um semicondutor ou entre dois semicondutores diferentemente dopados, um do tipo-P e outro do tipo-N. No primeiro caso, tem-se a junção metal-semicondutor; no segundo, a famosa junção P-N. Foi a descoberta dessas interfaces que resultou na invenção do transistor. Era a cereja que faltava para o bolo da microeletrônica.

 

História

Tudo o que foi dito só ficou bem conhecido na década de 1940. Mas o primeiro registro de fotocondutividade foi feito um século antes, quando o físico francês Alexandre E. Becquerel (1820-1891) observou que a junção metal-semicondutor formada por prata e cloreto de prata imersa em um eletrólito produzia corrente elétrica quando iluminada. Como seu interesse científico era outro, ele não deu prosseguimento a esse tipo de investigação.

 

Passaram-se 37 anos até que alguém observasse o fenômeno em material sólido. Isso foi feito pelos ingleses William Grylls Adams (1836-1915) e Richard Evans Day em 1876. Eles observaram que, iluminando selênio conectado a uma bateria, era possível inverter o sentido da corrente elétrica. Provavelmente essa descoberta inspirou o norte-americano Charles Edgar Fritts a construir a primeira célula solar, em 1883. Ela consistia em uma fina camada de selênio coberta com uma finíssima camada de ouro e tinha eficiência inferior a 1%. Atualmente as células solares apresentam eficiência superior a 20%.

 

Em 1874, o físico alemão Karl Ferdinand Braun (1850-1918) descobriu que o sulfeto de chumbo em contato com uma ponta metálica poderia retificar uma corrente elétrica. Esse sulfeto, popularmente conhecido como galena, foi o primeiro detector de estado sólido para ondas de rádio. Chamava-se bigode de gato, uma referência à ponta metálica em contato com a superfície do semicondutor, imagem que dizem ter inspirado o símbolo do diodo, o primeiro dispositivo semicondutor.

 

Cristal de galena
Cristal de galena, nome popular do sulfeto de chumbo. Foi o primeiro detector de estado sólido para ondas de rádio. (foto: Rob Lavinsky – CC-BY-SA-3.0)

A partir das observações dessas propriedades dos semicondutores, alguns dispositivos passaram a ser fabricados, como células solares e detectores de cristal para sintonização de rádio, mas ninguém sabia exatamente o que era semicondutor, muito menos explicar as propriedades até então observadas. Tudo era feito empiricamente, e torcia-se para que o dispositivo funcionasse bem.

 

A história tomou um rumo favorável depois que o físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961) formulou, em 1925, a equação fundamental da mecânica quântica, a partir da qual a física do estado sólido teve um desenvolvimento extraordinário, desembocando na invenção do diodo, o produto tecnológico que abriu as portas para a microeletrônica.

 

Em 1931, o britânico Alan Herries Wilson (1906-1995) formulou a teoria de bandas para semicondutores, com a qual descreveu quase tudo de essencial que hoje sabemos sobre esses materiais. Mas parece que o trabalho não orientou qualquer pesquisa experimental até que a junção P-N fosse descoberta por acaso, no início dos anos 40.

 

Serendipidade

Por volta de 1935, pesquisadores dos Laboratórios Bell, nos Estados Unidos, começaram a desenvolver detectores de ondas de radar usando válvulas a vácuo, mas não obtiveram bons resultados. Decidiram então apelar para o velho bigode de gato, já mencionado, que estava fora de uso comercial. Os primeiros resultados foram animadores, razão pela qual um dos engenheiros do grupo, o norte-americano Russell S. Ohl (1898-1987), ficou encarregado de fazer um estudo sistemático para descobrir qual o melhor material para construir um detector de cristal de boa qualidade.

 

Ohl testou mais de uma centena de materiais e confirmou o que ele já previa: o silício era o mais sensível. Na verdade, ele ficou impressionado com o fato de obter os melhores resultados com elementos da coluna do carbono na tabela periódica, a coluna dos semicondutores. Ou seja, ainda não se tinha certeza de que o fenômeno que fazia do bigode de gato um bom detector era devido aos semicondutores.

 

A evolução dos fatos a partir da decisão de investir no silício resultou na invenção do transistor. Não foi uma trajetória simples. Houve dificuldades para se entender o que estava ocorrendo, além de competição entre alternativas a seguir, incluindo a troca de silício por germânio. No meio do caminho havia uma junção, e sua descoberta é um belo exemplo de serendipidade, tão frequente na história da ciência.

 

Transistor
Primeiro transistor produzido nos Laboratórios Bell (Estados Unidos), com um cristal de germânio tipo-N, em 23 de dezembro de 1947. (foto: Unitronic – CC-BY-SA-3.0)

 

A primeira preocupação era acabar com o procedimento errático no uso dos detectores de cristal, a galena e congêneres. Colocava-se a ponta metálica em certo ponto e obtinha-se retificação em um sentido. Em outro ponto próximo, o sentido era invertido; tudo dependia do lote de onde se extraía o silício para fazer o detector.

 

Logo Ohl imaginou que isso poderia acontecer devido a impurezas e pediu ajuda ao metalurgista Jack Hall Scaff (1908-1980) para purificar o silício. Depois de diferentes tratamentos térmicos, Scaff chegou a uma amostra que apresentava resultados inesperados, embora consistentes. Um lado da amostra retificava a corrente em um sentido, enquanto o lado oposto retificava no sentido oposto.

 

Entre esses dois lados havia uma zona claramente indicada pela existência de trincas na amostra, com alta resistência elétrica, mas que deixava passar corrente quando iluminada, ou seja, era uma região fotocondutora. A parte que deixava passar corrente quando ligada ao terminal positivo da bateria foi denominada silício tipo-P, de positivo, e a outra parte silício tipo-N. A barreira fotoativa foi denominada junção PN.

 

A impureza no lado P foi logo determinada. Tratava-se de boro. A do lado N demorou um pouco mais para ser identificada. Quando essa parte do material era cortada com discos de diamante, sentia-se um odor de acetileno. O intrigante fenômeno foi explicado quando alguém lembrou que aquele cheiro típico era causado por impurezas de fósforo. Bingo! Doparam silício com fósforo e observaram o mesmo efeito de retificação do lado N da amostra de Ohl.

 

A partir de então começaram a dopar silício com diferentes impurezas tipo-P e tipo- N, algo que Alan Herries Wilson já tinha sugerido em 1931. O resultado de tudo isso foi a invenção do transistor de junção PN e o início da microeletrônica.

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