Dispositivo semicondutor

Detector de gatoDetector de gatoEditar

Semicondutores tinham sido usados no campo eletrônico por algum tempo antes da invenção do transistor. Por volta da virada do século 20 eles eram bastante comuns como detectores em rádios, usados em um dispositivo chamado “cat’s whisker” desenvolvido por Jagadish Chandra Bose e outros. Estes detectores eram um tanto problemáticos, porém, exigindo que o operador movesse um pequeno filamento de tungstênio (o whisker) em torno da superfície de um cristal de galena (sulfeto de chumbo) ou carborundum (carboneto de silício) até que de repente começasse a funcionar. Então, durante um período de algumas horas ou dias, o whisker do gato pararia de funcionar lentamente e o processo teria que ser repetido. Na época, a operação deles era completamente misteriosa. Após a introdução dos rádios mais confiáveis e amplificados baseados em tubos de vácuo, os sistemas de whisker do gato desapareceram rapidamente. O “bigode do gato” é um exemplo primitivo de um tipo especial de diodo ainda hoje popular, chamado de diodo Schottky.

Retificador de metalEdit

Outro tipo inicial de dispositivo semicondutor é o retificador de metal no qual o semicondutor é óxido de cobre ou selênio. Westinghouse Electric (1886) foi um dos principais fabricantes desses retificadores.

Edit da Segunda Guerra Mundial

Durante a Segunda Guerra Mundial, a pesquisa com radares rapidamente empurrou os receptores de radar para operar em freqüências cada vez mais altas e os tradicionais receptores de rádio baseados em tubos não funcionavam mais bem. A introdução do magnetrão cavidade da Grã-Bretanha para os Estados Unidos em 1940 durante a Missão Tizard resultou na necessidade urgente de um prático amplificador de alta frequência.

Apesar de um capricho, Russell Ohl of Bell Laboratories decidiu experimentar um whisker de gato. A esta altura eles já não estavam em uso há vários anos, e ninguém nos laboratórios tinha um. Depois de caçar um numa loja de rádio usada em Manhattan, ele descobriu que ele funcionava muito melhor do que sistemas baseados em tubos.

Ohl investigou porque o whisker do gato funcionava tão bem. Ele passou a maior parte do ano de 1939 a tentar criar versões mais puras dos cristais. Ele logo descobriu que com cristais de maior qualidade o seu comportamento fininho foi embora, mas também a sua capacidade de operar como um detector de rádio. Um dia ele encontrou um dos seus cristais mais puros, no entanto, funcionou bem, e tinha uma fenda claramente visível perto do meio. No entanto, enquanto ele se movia pela sala tentando testá-lo, o detector funcionava misteriosamente, e depois parava novamente. Após algum estudo, ele descobriu que o comportamento era controlado pela luz na sala – mais luz causava mais condutância no cristal. Ele convidou várias outras pessoas para ver este cristal, e Walter Brattain imediatamente percebeu que havia algum tipo de junção na fenda.

Outras pesquisas esclareceram o mistério restante. O cristal tinha rachado porque cada lado continha quantidades muito ligeiramente diferentes das impurezas que Ohl não conseguia remover – cerca de 0,2%. Um dos lados do cristal tinha impurezas que adicionavam elétrons extras (os portadores de corrente elétrica) e o tornavam um “condutor”. O outro tinha impurezas que queriam ligar-se a esses elétrons, tornando-o (o que ele chamou) um “isolante”. Como as duas partes do cristal estavam em contato uma com a outra, os elétrons podiam ser empurrados para fora do lado condutivo que tinha elétrons extras (logo conhecido como o emissor) e substituídos por novos sendo fornecidos (de uma bateria, por exemplo) onde eles iriam fluir para a porção isolante e seriam coletados pelo filamento do whisker (chamado de coletor). No entanto, quando a voltagem fosse invertida, os electrões a serem empurrados para dentro do colector encheriam rapidamente os “buracos” (as impurezas necessárias aos electrões), e a condução pararia quase instantaneamente. Esta junção dos dois cristais (ou partes de um cristal) criou um diodo de estado sólido, e o conceito logo ficou conhecido como semicondução. O mecanismo de ação quando o diodo está desligado tem a ver com a separação dos portadores de carga ao redor da junção. Isso é chamado de “região de esgotamento”.

Desenvolvimento do diodoEditar

Armado com o conhecimento de como esses novos diodos funcionavam, um vigoroso esforço começou a aprender como construí-los sob demanda. Equipes da Purdue University, Bell Labs, MIT e a Universidade de Chicago uniram forças para construir melhores cristais. Dentro de um ano a produção de germânio tinha sido aperfeiçoada ao ponto de serem usados diodos de grau militar na maioria dos conjuntos de radar.

Desenvolvimento do transistorEdit

Após a guerra, William Shockley decidiu tentar a construção de um dispositivo semicondutor do tipo triode. Ele conseguiu financiamento e espaço de laboratório, e foi trabalhar no problema com Brattain e John Bardeen.

A chave para o desenvolvimento do transistor foi a compreensão do processo de mobilidade dos elétrons em um semicondutor. Percebeu-se que se houvesse alguma forma de controlar o fluxo dos elétrons do emissor para o coletor deste diodo recém-descoberto, um amplificador poderia ser construído. Por exemplo, se forem colocados contactos em ambos os lados de um único tipo de cristal, a corrente não irá fluir entre eles através do cristal. Entretanto, se um terceiro contato pudesse então “injetar” elétrons ou furos no material, a corrente fluiria.

Atualmente, fazer isso parecia ser muito difícil. Se o cristal fosse de qualquer tamanho razoável, o número de elétrons (ou furos) necessários para ser injetado teria que ser muito grande, tornando-o menos útil como um amplificador, pois ele exigiria uma grande corrente de injeção para começar. Dito isto, toda a idéia do diodo cristal era que o próprio cristal poderia fornecer os elétrons em uma distância muito pequena, a região de esgotamento. A chave parecia ser colocar os contatos de entrada e saída muito próximos na superfície do cristal em ambos os lados dessa região.

Brattain começou a trabalhar na construção de tal dispositivo, e dicas tentadoras de amplificação continuaram a aparecer enquanto a equipe trabalhava no problema. Às vezes o sistema funcionava, mas depois deixava de funcionar inesperadamente. Em um caso, um sistema que não funcionava começou a funcionar quando colocado na água. Ohl e Brattain eventualmente desenvolveram um novo ramo da mecânica quântica, que ficou conhecido como física de superfícies, para explicar o comportamento. Os elétrons em qualquer peça do cristal migrariam devido a cargas próximas. Os elétrons nos emissores, ou os “buracos” nos coletores, se aglomeravam na superfície do cristal, onde podiam encontrar sua carga oposta “flutuando” no ar (ou na água). No entanto, poderiam ser afastados da superfície com a aplicação de uma pequena quantidade de carga a partir de qualquer outro local no cristal. Ao invés de precisar de um grande suprimento de elétrons injetados, um número muito pequeno no lugar certo no cristal realizaria a mesma coisa.

O seu entendimento resolveu o problema de precisar de uma área de controle muito pequena até certo ponto. Ao invés de precisar de dois semicondutores separados conectados por uma região comum, mas minúscula, uma única superfície maior serviria. O condutor emissor de electrões e o condutor de recolha seriam ambos colocados muito juntos no topo, com o condutor de controlo colocado na base do cristal. Quando a corrente fluía através deste condutor “base”, os elétrons ou orifícios seriam empurrados para fora, através do bloco do semicondutor, e coletados na superfície distante. Desde que o emissor e o coletor estivessem muito próximos um do outro, isto deveria permitir que elétrons ou furos suficientes entre eles permitissem o início da condução.

O primeiro transistorEditar

Uma réplica estilizada do primeiro transistor

A equipe Bell fez muitas tentativas para construir tal sistema com várias ferramentas, mas geralmente falhou. As configurações onde os contatos estavam suficientemente próximos eram invariavelmente tão frágeis quanto os detectores de whisker do gato original tinham sido, e funcionariam brevemente, se é que funcionariam. Eventualmente, eles tiveram um avanço prático. Um pedaço de folha de ouro foi colado à borda de uma cunha de plástico, e então a folha foi cortada com uma lâmina de barbear na ponta do triângulo. O resultado foram dois contatos de ouro bem espaçados. Quando a cunha foi empurrada para baixo na superfície de um cristal e a tensão aplicada no outro lado (na base do cristal), a corrente começou a fluir de um contato para o outro, enquanto a tensão de base empurrava os elétrons para longe da base em direção ao outro lado perto dos contatos. O transistor ponto-contacto tinha sido inventado.

Embora o dispositivo tenha sido construído uma semana antes, as notas de Brattain descrevem a primeira demonstração aos superiores no Bell Labs na tarde de 23 de Dezembro de 1947, muitas vezes dada como a data de nascimento do transistor. O que agora é conhecido como o “transistor p-n-p point-contact germanium” operava como um amplificador de fala com um ganho de potência de 18 nesse ensaio. John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley receberam o Prêmio Nobel de Física de 1956 por seu trabalho.

Origem do termo “transistor” Edição

Bell Telephone Laboratories precisavam de um nome genérico para sua nova invenção: “Tríodo Semicondutor”, “Tríodo Sólido”, “Tríodo de Estados Superficiais”, “Tríodo de Cristal” e “Iotatron” foram todos considerados, mas “transistor”, cunhado por John R. Pierce, ganhou uma votação interna. A lógica do nome está descrita no seguinte extrato dos Memorandos Técnicos da empresa (28 de maio de 1948) que pedem votos:

Transistor. Esta é uma combinação abreviada das palavras “transcondutância” ou “transferência”, e “varistor”. O dispositivo logicamente pertence à família varistor, e tem a transcondutância ou impedância de transferência de um dispositivo com ganho, de modo que esta combinação é descritiva.

Melhorias no design do transistorEdit

Shockley ficou chateado com o dispositivo sendo creditado a Brattain e Bardeen, que ele sentiu que o tinha construído “nas suas costas” para levar a glória. As coisas pioraram quando os advogados da Bell Labs descobriram que alguns dos escritos de Shockley sobre o transistor eram suficientemente próximos aos de uma patente anterior de 1925 de Julius Edgar Lilienfeld que achavam melhor que seu nome fosse deixado de fora do pedido de patente.

Shockley ficou irritado, e decidiu demonstrar quem era o verdadeiro cérebro da operação. Alguns meses depois ele inventou um tipo de transistor totalmente novo, consideravelmente mais robusto, com uma estrutura em camadas ou ‘sanduíche’. Esta estrutura passou a ser usada pela grande maioria dos transístores nos anos 60, e evoluiu para o transístor de junção bipolar.

Com os problemas de fragilidade resolvidos, um problema remanescente era a pureza. Fazer germânio com a pureza necessária era um problema sério e limitava o rendimento dos transistores que realmente funcionavam a partir de um determinado lote de material. A sensibilidade do germânio à temperatura também limitou a sua utilidade. Os cientistas teorizaram que o silício seria mais fácil de fabricar, mas poucos investigaram essa possibilidade. Gordon K. Teal foi o primeiro a desenvolver um transístor de silício funcional, e sua empresa, a nascente Texas Instruments, lucrou com sua vantagem tecnológica. Desde o final dos anos 60, a maioria dos transístores eram baseados em silício. Em poucos anos os produtos à base de transístores, sobretudo os rádios portáteis, começaram a aparecer no mercado.

O transístor estático de indução, o primeiro transístor de alta frequência, foi inventado pelos engenheiros japoneses Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe em 1950. Foi o transistor mais rápido até os anos 80.

Uma grande melhoria no rendimento de fabricação veio quando um químico aconselhou as empresas fabricantes de semicondutores a utilizarem água destilada em vez de água da torneira: os íons de cálcio presentes na água da torneira foram a causa dos fracos rendimentos. “Zone melting”, uma técnica que utiliza uma faixa de material fundido movendo-se através do cristal, aumentou ainda mais a pureza do cristal.

Semicondutor de óxido de metal (MOS)Editar

Nos anos 50, Mohamed Atalla investigou as propriedades de superfície de semicondutores de silício no Bell Labs, onde propôs um novo método de fabricação de dispositivos semicondutores, cobrindo uma pastilha de silício com uma camada isolante de óxido de silício para que a eletricidade pudesse penetrar de forma confiável no silício condutor abaixo, superando os estados de superfície que impediam a eletricidade de alcançar a camada semicondutora. Isto é conhecido como passivação de superfície, um método que se tornou crítico para a indústria de semicondutores, uma vez que tornou possível a produção em massa de circuitos integrados de silício (ICs). Com base em seu método de passivação superficial, ele desenvolveu o processo de semicondutor de óxido metálico (MOS), que ele propôs que pudesse ser usado para construir o primeiro transistor de efeito de campo de silício de trabalho (FET). O que levou à invenção do MOSFET (transistor de efeito de campo MOS) por Mohamed Atalla e Dawon Kahng, em 1959. Com sua escalabilidade, e muito menor consumo de energia e maior densidade que os transistores de junção bipolar, o MOSFET tornou-se o tipo de transistor mais comum em computadores, eletrônica e tecnologia de comunicação, como os smartphones. O US Patent and Trademark Office chama o MOSFET de uma “invenção pioneira que transformou a vida e a cultura ao redor do mundo”.

CMOS (MOS complementar) foi inventado por Chih-Tang Sah e Frank Wanlass na Fairchild Semiconductor em 1963. O primeiro relatório de um MOSFET de porta flutuante foi feito por Dawon Kahng e Simon Sze em 1967. FinFET (transistor de efeito de campo fino), um tipo de MOSFET 3D multiportas, foi desenvolvido por Digh Hisamoto e sua equipe de pesquisadores no Hitachi Central Research Laboratory em 1989.