Da válvula ao transistor: a revolução dos semicondutores

A física dos semicondutores revolucionou a sociedade moderna ao possibilitar a construção de dispositivos e máquinas cada vez menores e mais potentes. E como tudo isso começou?

Nas pesquisas iniciais com transmissão de ondas de rádio, no fim do século XIX, os cientistas conseguiram codificar e transmitir sons na forma de ondas eletromagnéticas. No entanto, para detectá-las à distância, havia dois problemas: o primeiro, era retirar a informação da onda que a carregava. O segundo, era que a onda chegava com baixa intensidade.

Em 1904, o físico inglês John Ambrose Fleming criou a chamada válvula diodo, que retificava a onda e entregava a informação de volta. Por sua vez, o americano Lee De Forest inventou, no ano de 1906, a válvula triodo, que amplificava a informação, gerando o som novamente em volume suficiente para ser utilizado em aplicações práticas. "A válvula constitui, portanto, um amplificador de sinal elétrico, tendo sido utilizada em vários aparelhos elétricos, como os amplificadores de som e as primeiras televisões", explica Belita Koiller, do Instituto de Física naUniversidade Federal do Rio de Janeiro, em seu artigo "A Arquitetura da Matéria.

Iniciava-se, assim, a Era da Eletrônica, com o advento, a partir das válvulas, do rádio, da televisão e dos computadores. O Eniac (Electronic Numerical Integrator And Computer), o pai de todos os computadores eletrônicos, possuía 17.468 válvulas (além de 6.000 chaves manuais, através das quais ele era programado) e media cerca de 50 metros. Mas os fundamentos estavam plantados.

   As limitações

Apesar dos avanços tecnológicos conquistados com a descoberta das válvulas, logo suas desvantagens começaram a ser percebidas. Elas "apresentam limitações severas: os feixes de elétrons transitam em tubos de vidro que são volumosos e frágeis, além das altas temperaturas requeridas para que os filamentos metálicos emitam os elétrons, gerando forte aquecimento e dissipação de energia", escreve Belita Koiller, no artigo já citado. A isso, juntam-se a incapacidade das válvulas em lidar com altas temperaturas e a sua curta vida útil.

Dessa forma, novos estudos dedicaram-se ao aprimoramento da tecnologia, especialmente as pesquisas ligadas à tecnologia de guerra, que exigia equipamentos menores e que operassem a freqüências mais elevadas. Foi quando John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, três cientistas dos laboratórios Bell, resolveram voltar seus olhares para a época dos antigos rádios a cristal, pois sabiam que, ao contrário dos equipamentos a válvula, os velhos rádios experimentais a cristal eram capazes de detectar as altas freqüências. O interesse deslocou-se, então, para a descoberta do físico Ferdinand Braun, que dizia que cristais podiam transmitir eletricidade num único sentido.

O caminho iniciado pelos três cientistas no intuito de investigar as propriedades dos cristais mostrou-se correto. As pesquisas começaram com cristais semicondutores de silício e germânio e levaram à invenção do transistor, o substituto das válvulas, pois ele realizava de maneira mais eficiente o trabalho de válvula, principalmente no que se refere ao consumo de energia.

   A estrutura cristalina dos semicondutores

"O silício possui quatro elétrons em sua terceira e última órbita, sendo por isto chamado de tetravalente. Dessa forma, cada átomo de silício pode estabelecer até quatro ligações covalentes com outros átomos. Unindo-se entre si, os átomos de silício formam uma rede cristalina cúbica, semelhante à do diamante, muito estável. O cristal de silício assim formado tem cor cinza escuro, lustrosa", explica Agostinho Rosa, mestre em Administração e Política de Recursos Minerais, em seu site de divulgação científica.

Suponhamos que um elétron escape dessa rede cristalina. Isto, na verdade, acontece normalmente, em pequena escala, pela ação do calor à temperatura ambiente. No entanto, é possível aumentar a ocorrência dessas "escapadas" através de uma técnica chamada dopagem. "Dopar um cristal significa introduzir um elemento estranho em sua rede cristalina", ensina Rosa.

Mas o que acontecerá se for introduzido no cristal um átomo de elemento com cinco elétrons na última camada? O novo átomo se encaixará na estrutura, ligando-se a quatro átomos de silício, e sobrará um elétron livre. Ou seja, o cristal terá mais elétrons do que lacunas, ficando, assim, com energia predominantemente negativa, e será chamado de tipo N (de negativo).

Já no caso de doparmos o cristal com um elemento de três átomos na última camada, ele terá mais lacunas do que elétrons, isto é, energia predominantemente positiva, e receberá a denominação P (de positivo).

Os semicondutores começam a substituir as válvulas no momento em que se une um pedaço de material do tipo N com um pedaço de material do tipo P. Essa junção forma um componente eletrônico chamado diodo, que substitui a válvula de mesmo nome. A característica básica do diodo é permitir a condução da corrente elétrica em apenas um sentido.

   O transistor, um componente semicondutor

O transistor resulta da união de dois diodos e foi produzido pela primeira vez em 1947, 11 anos após o início das pesquisas com semicondutores, pela equipe dos laboratórios Bell - que inclusive ganhou o prêmio Nobel de Física, em 1956.

Em poucos anos, o invento se disseminaria por todo o parque industrial e permitiria uma onda de inovações tecnológicas sem precedentes. "Os rádios portáteis, então tornados possíveis, traziam estampada a expressão 'Solid State' (estado sólido), em referência à ausência de válvulas, já que seus circuitos eram construídos com cristais (sólidos, sem vácuo ou preenchimento com gases)", conta Rosa.

"O controle de sinais elétricos por transistores permite sua aplicação tanto em circuitos amplificadores quanto em circuitos lógicos. No caso de operações lógicas, o transistor funciona como uma chave, que abre e fecha um circuito elétrico fornecendo os bits 0 ou 1 conforme os sinais recebidos. Os chips dos computadores modernos são circuitos integrados (CI), isto é, fabricados em um único 'bloco' de silício e contendo dezenas de milhões de transistores", ensina Belita Koiller, professora da UFRJ.

Mais eficiente, mais barato, menor e gastando muito menos energia do que sua antecessora - a válvula -, o transistor permitiu a diminuição do tamanho dos equipamentos eletrônicos e conduziu a um dos mais importantes e bem sucedidos caminhos de transferência do conhecimento científico puro para a aplicação no desenvolvimento social.

"A descoberta do efeito transistor e sua posterior utilização como substituto das válvulas tornaram clara a alta potencialidade tecnológica dos materiais semicondutores e inegavelmente foram fundamentais para que esses materiais alcançassem a importância que hoje detêm".

Em busca da válvula sagrada...

Hahaha, pois bem, vocês não sabem o quanto é difícil encontrar uma válvula eletrônica dando sopa por ai, e nessa missão adivinhem quem eu fui a encubida de encontrá-la, em principio parecia fácil encontrar uma dessas em uma eletrônica, mas ao pedir pra um dos técnicos ele me diz a seguinte frase: "Desiste Emili, válvula é do tempo que o arco-íris era preto e branco.", mas desanimar eu? jamais. Procuramos, procuramos, até encontrarmos um velho rádio scala bem semelhante a esse aqui perdido por lá.

De tão velho que ele é, só encontrei foto no mercado livre (sempre tem alguém vendendo uma relíquia ou bizarrice do ML, né?), mas ele é uma gracinha e super leve apesar do transistor ser mais pequeno que a válvula.
Agora umas fotinhas das irmãs da tia válvula grande:

Se as células são os blocos de construção da vida, os transistores são os blocos de construção da revolução digital. Sem transistores, as maravilhas tecnológicas que você usa todos os dias - telefones celulares, computadores, carros - seria muito diferente, se eles existiram.

Antes de transistores, engenheiros de produto utilizado tubos de vácuo e switches eletromecânicos para completar circuitos eléctricos. Tubos foram longe do ideal. Eles tiveram que se aquecer antes eles trabalhavam (e às vezes superaquecido quando o fizeram), eles não eram confiáveis e volumosos e eles usaram muita energia. Tudo, desde televisores, para sistemas de telefonia, para primeiros computadores usados esses componentes, mas nos anos após a Segunda Guerra Mundial, os cientistas estavam procurando alternativas para tubos de vácuo. Eles logo descobrem a resposta do trabalho feito anteriormente décadas.

Transistores podem ser considerados como um tipo de chave, como pode muitas componentes electrónicos. Eles são usados em uma variedade de circuitos e você vai descobrir que é raro que um circuito construído em um Departamento de Tecnologia da escola não conter pelo menos um transistor. Eles são fundamentais para eletrônica e há dois tipos principais: NPN e PNP. A maioria dos circuitos tendem a usar NPN. Há centenas de transistores que trabalham com tensões diferentes, mas todos eles se enquadram nessas duas categorias.

Dois exemplos de diferentes formas de TRANSISTOR

Transistores são fabricadas em diferentes formas, mas eles têm três ligações (pernas).
A BASE - que é a principal responsável pela activação do transistor.
O coletor - que é o fio positivo.
O emissor - que é o polo negativo.
O diagrama abaixo mostra o símbolo de um transistor NPN. Eles não são sempre estabelecidos como mostrado nos diagramas para a esquerda e para a direita, embora o "separador" do tipo mostrado à esquerda é geralmente ao lado do "emissor". Rse da tecnologia, e, no processo, história humana, também.

Um transistor pode ser pensado como um dispositivo que opera em uma única direção: Pode chamar mais ou menos corrente através da sua resistência de carga (por vezes referido como um resistor de pull-up).

O que é?

O transistor é um componente de circuito elétrico, cujo nome vem do termo transfer resistor, ou seja, resistor de transferência, que se tornou popular nos anos de 1950, sendo ele o grande responsável pela revolução da eletrônica. Uma de suas principais funções é a de aumentar e chavear os sinais elétricos.

O transistor surgiu no ano de 1948 meio que ao acaso. Nesse ano, três cientistas norte-americanos descobriram um cristal de semicondutores e através deste apresentaram dois tipos de junções. Nas pesquisas com esse material, os cientistas perceberam que ele tinha a capacidade de fazer amplificações parecidas com as obtidas com a válvula de triodo. Dessa forma, descobriram um novo componente: o transistor. Ele é basicamente um substituto das antigas válvulas eletrônicas. Sua aplicação é vantajosa, pois o custo de fabricação é menor e ele gasta menos energia que as antigas válvulas. 

Essa descoberta possibilitou um grande avanço na eletrônica, de forma que o dispositivo passou a ser largamente empregado nos circuitos eletrônicos. Em razão do avanço tecnológico que esse componente favoreceu, os cientistas que fizeram a descoberta receberam o prêmio Nobel da Física no ano de 1956. 

Transístor - Colector Comum

O circuito com um transístor com colector comum possui um ganho de tensão muito próximo da unidade, significando que os sinais em CA que são inseridos na entrada serão replicados quase igualmente na saída, assumindo que a carga de saída não apresente dificuldades para ser controlada pelo transistor. O circuito possui um ganho de corrente típico que depende em grande parte do hFE do transistor. Uma pequena mudança na corrente de entrada resulta em uma mudança muito maior na corrente de saída enviada à carga. Deste modo, um terminal de entrada com uma fraca alimentação pode ser utilizado para alimentar uma resistência menor no terminal de saída. Esta configuração é comumente utilizada nos estágios de saída dos amplificadores Classe B e Classe AB, o circuito base é modificado para operar o transístor no modo classe B ou AB. No modo classe A, muitas vezes uma fonte de corrente activa é utilizada em vez do RE para melhorar a linearidade ou eficiência.  

 

Características de um amplificador com transístor em colector comum:

• IMPEDÂNCIA DE ENTRADA: de 100KΩ a 1MΩ .
• IMPEDÂNCIA DE SAÍDA: de 50Ω a 5000Ω.
• AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE: de 10 a 100 vezes.
• AMPLIFICAÇÃO DE TENSÃO: é menor do que 1. Neste tipo de amplificador não há amplificação de tensão.
• AMPLIFICAÇÃO DE POTÊNCIA: de 10 a 100 vezes.
• RELAÇÃO DE FASE: não há desfasamento entre a tensão do sinal de saída e a tensão do sinal de entrada.