Transitores, integrados, diodos.

O que é transístor?

Introdução

Circuitos integrados, "chips", processadores; eles estão em todos os lugares, em todos os equipamentos. Com a miniaturização, todos se tornaram "micro": microcircuitos, microchips, microprocessadores. Mas não importa o nome, o tamanho ou o modelo; todos são feitos de uma mesma unidade básica: o transístor.
Você sabe o que é um transístor? Para que ele serve? Como funciona um transístor? De que material ele é feito? Este artigo contém respostas a estas perguntas.

A história

A pesquisa que levou à descoberta do transístor buscava um substituto para as válvulas eletrônicas. O transístor é justamente isto: um substituto das válvulas. Ele é mais eficiente, mais barato, menor e gasta muito menos energia do que sua antecessora. Mas, então, para o que serviam as válvulas?

O problema

No fim do século XIX, começaram as primeiras pesquisas com transmissão de ondas de rádio. Os cientistas conseguiam codificar sons em uma onda eletromagnética (é o que faz um microfone) e transmitir essa onda. Para detectá-la a distância, porém, havia dois problemas. O primeiro era a retirar a informação da onda que a carregava. O segundo problema era que a onda chegava muito fraca.
A solução para o primeiro problema consistia, basicamente em transformar uma corrente alternada (a onda que chegava) em corrente contínua, que poderia ir para um fone de ouvidos ou alto-falante. O problema foi inicialmente solucionado por cristais. O físico alemão Ferdinand Braun havia descoberto, em 1.874, que cristais, sob certas condições, conduziam corrente elétrica em apenas um sentido. Esse fenômeno, chamado retificação, era capaz de separar a informação da onda recebida. (ver artigo Rádios de Galena).
Vinha então o segundo problema: os primeiros experimentos somente conseguiam restituir o som original em fones de ouvidos, muito fracamente. O desafio era então aumentar o volume dos sons recebidos; para usar o termo que seria adotado futuramente, faltava amplificar o sinal recebido.

As válvulas

As válvulas substituíram os cristais, com maior eficiência e praticidade. A válvula diodo, criada pelo inglês John Ambrose Fleming, retificava a onda e entregava a informação de volta. O americano Lee De Forest criou a válvula triodo, que amplificava a informação, gerando o som novamente em volume suficiente para ser utilizado em aplicações práticas.( Para entender o funcionamento detalhado de cada uma delas, veja o artigo Como funcionam as Válvulas Eletrônicas.).
Começava a Era da Eletrônica. A partir das válvulas surgiram o rádio, a televisão e os computadores. O ENIAC ( "Electronic Numerical Integrator And Computer"), o pai de todos os computadores, 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. O transístor permitiu um salto tecnológico semelhante ao causado pelas válvulas, mas ele desempenha, com muito mais eficiência, a mesma função desempenhada pelas válvulas.

Novos problemas

Às conhecidas desvantagens das válvulas (tamanho, consumo de energia etc.), logo juntou-se sua incapacidade de lidar com altas freqüências. As pesquisas ligadas à guerra exigiam equipamentos menores e que operassem a freqüências mais elevadas. Três cientistas dos laboratórios Bell ( John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley ) resolveram "voltar no tempo", na época dos antigos rádios a cristal. 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 de Ferdinand Braun, que dizia que cristais podiam transmitir eletricidade num único sentido. Aí poderia estar um substituto para as válvulas.

A descoberta

O caminho se mostrou correto. A equipe conseguiu produzir o primeiro transístor em 1.947, após 11 anos de pesquisas. Em poucos anos o invento se disseminaria por todo o parque industrial e permitiria uma onda de inovações tecnológias 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).

    O primeiro transístor.

Silício

As pesquisas começaram com cristais de silício e germânio. Quem já ouviu falar do Vale do Silício (Califórnia, Estados Unidos), pode facilmente deduzir qual deles ganhou a preferência dos cientistas. E foi por uma questão simples: o silício é muito barato. Ele é o segundo elemento mais abundante na Terra, perdendo apenas para o oxigênio. Cerca de 28% de toda a crosta terrestre é formada de silício. Mas ele não é encontrado em estado puro. Sua ocorrência mais comum se dá sob a forma de óxidos (silício combinado com oxigênio - SiO₂). Nesta combinação ele compõe uma família de minerais chamada silicatos. O quartzo é o silicato mais conhecido.
Quando purificado, o silício é cinza-escuro. Para a produção de transístores e circuitos integrados em geral, o silício não é extraído de nenhum mineral. Ele é produzido artificialmente, em equipamentos de alta pressão chamados autoclaves. Ele é produzido em lingotes circulares, que são posteriormente "fatiados".
A fabricação de transístores exige uma pureza de 99,999999%; isto significa um átomo estranho presente em cada 10 bilhões de átomos de silício.

Semicondutores

Silício e Germânio são materiais semicondutores. Semicondutor significa quase condutor. Os semicondutores são materiais em um estado intermediário entre os condutores de energia elétrica, como o cobre, alumínio, ouro, prata etc., e os não-condutores, ou isolantes, como a borracha e o vidro, por exemplo.
A energia elétrica nada mais do que o movimento dos elétrons. Para que um elemento seja um bom condutor, portanto, ele precisa ter muitos elétrons livres.
Veja o modelo do átomo. Os elétrons ficam em órbitas ao redor do núcleo. Essas órbitas têm números máximos de elétrons, determinados pela conjunção da força de atração do núcleo, por um lado, e da força centrífuga, causada pela rotação do elétron, de outra . Caso o átomo não tenha a sua última camada totalmente preenchida, ele tende a uma de duas situações: perder os elétrons de sua camada "incompleta" ou capturar elétrons de outro átomo para preencher sua última camada. Como os elétrons da última camada estão mais afastados do núcleo, eles estão sob menor atração desse núcleo; portanto, é mais fácil para eles escapar do átomo. Uma pequena energia é capaz de arrancá-los de suas órbitas. Estando livres, esses elétrons determinam a facilidade de condução de um elemento: quanto menor a energia necessária para arrancar os elétrons de um átomo e, portanto, quanto mais elétrons livres, maior a capacidade de condução de um elemento.


Modelo com átomo com número de elétrons por camada Uma situação comum é o compartilhamento: ao invés de roubar o elétron de outros átomos, dois átomos compartilham seus elétrons, utilizando-os para preencher sua última camada. Esse compartilhamento é chamado de ligação covalente.
O silício possui 4 elétrons em sua 3ª e última órbita, sendo por isto chamado de tetravalente. Desta forma, cada átomo de silício pode estabelecer até 4 ligações covalentes com outros átomos. Unindo-se entre si desta forma, 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.


Rede cristalina do silício Mas se a eletricidade é o movimento dos elétrons, como pode haver condução elétrica em um elemento onde os elétrons estão todos presos em uma forte estrutura cristalina? Não é difícil. Veja
- o elétron tem carga elétrica negativa;
- suponhamos que um elétron escape do seu átomo. Ele deixa o átomo carregado positivamente (se o átomo perdeu uma carga negativa, ele passa a ter mais carga positiva). Esse átomo recebe o nome de íon e possui uma lacuna, um buraco onde cabe mais um elétron.
- ao encontrar uma lacuna vizinha, um outro elétron tende a deixar sua posição para ocupar a lacuna. Ele então pula para a lacuna, deixando seu lugar livre.
Ocorrendo esse movimento sucessivamente, verifica-se a ocorrência de corrente elétrica. Por convenção, estabeleceu-se que que a condução elétrica se dá, na verdade, pela movimentação das lacunas.
Esse movimento das lacunas também ocorre nos materiais condutores mas, como existem muitos elétrons livres naqueles materiais, o movimento das lacunas é desprezível. Num semicondutor, porém, vimos que, para cada elétron que se liberta, há uma lacuna correspondente. Portanto, o movimento das lacunas é muito importante.


Figura do movimento das lacunas

Semicondutores P e N

No caso anterior, supomos que um elétron escaparia da rede cristalina. Isso acontece normalmente, em pequena escala, pela ação do calor à temperatura ambiente. 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. O elemento estranho é chamado de elemento dopante.
Como vimos, o silício é chamado de tetravalente por possuir 4 elétrons em sua última órbita. O que acontecerá se introduzirmos no cristal um átomo de elemento pentavalente (5 elétrons na última camada)?
O novo átomo se encaixará na estrutura, ligando-se a quatro átomos de silício. E sobrará um elétron livre. Com um número adequadro de átomos "penetras" teremos um cristal com mais elétrons do que lacunas. Ou seja, esse cristal terá energia predominantemente negativa, porque negativa é a carga do elétron. Um cristal desse tipo recebe a denominação N (de negativo).
O que acontecerá agora se doparmos o cristal com um elemento trivalente (três átomos na última camada)? Obviamente, o inverso ocorrerá: o elemento dopante conseguirá estabelecer apenas três ligações com outros átomos. Um átomo de silício ficará, portanto, com uma lacuna a mais. Com o número adequado de átomos trivalentes, teremos um cristal com mais lacunas do que elétrons. Esse cristal terá energia predominantemente positiva. Um cristal desse tipo recebe a denominação P (de positivo).

Cargas em um cristal P

Cargas em um cristal N

Os elementos pentavalentes (5 átomos na última órbita) mais utilizados na construção de cristais N são o arsênio, o antimônio e o fósforo.
Os elementos trivalentes (3 átomos na última órbita) mais utilizados na construção de cristais P são o alumínio, o boro e o gálio.
Normalmente, a dopagem consiste na introdução de 1 átomo do elemento dopante para cada 100.000 átomos de silício.

Juntando P e N

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. Como vimos, a válvula diodo possibilita fazer a retificação, ou seja, a transformação da corrente alternada em corrente contínua, permitindo separar-se o som da onda que o carrega. O mesmo pode ser feito com o diodo semicondutor.
A característica básica do diodo é permitir a condução da corrente elétrica em apenas um sentido. Vejamos como isso acontece

Como funciona um diodo

Ao se juntar um elemento P a um elemento N, temos a seguinte situação: o elemento P tem excesso de lacunas; o elemento N tem excesso de elétrons. No ponto onde os dois cristais se tocam, tende a haver uma migração de elétrons e lacunas, até que se estabeleça um equilíbrio.


Formação da camada de depleção Observe que se forma um equilíbrio na região da junção, deixando de existir portadores majoritários (elétrons livres ou lacunas). Essa camada, chamada camada de depleção (sinônimo de diminuição), impede que se gere um equilíbrio completo entre os cristais P e N. Isto porque os elétrons do cristal N não encontram lacunas para se movimentar pela camada de depleção. O mesmo ocorre com as lacunas que ficaram isoladas no lado P. Ou seja, a camada de depleção é uma espécie de "zona morta" onde não há espaço para movimentação de elétrons e lacunas.
Vamos agora submeter nosso diodo a uma tensão, ou seja, colocar uma bateria em seus terminais. Vamos conectar o terminal negativo (fluxo de elétrons) da bateria à porção N do diodo e o terminal positivo (fluxo de lacunas) à porção P. Desta forma, a região N, com excesso de elétrons, recebe ainda mais elétrons, e a porção P recebe ainda mais lacunas. Observe o que acontece:


Polarização direta Os elétrons do lado N recebem toda a energia do pólo negativo da fonte, ganhando força suficiente para expulsar os elétrons que estão alojados na camada de depleção. Rompendo essa camada, eles encontram um terreno fértil em lacunas no lado P. Mas não param por aí: como eles são atraídos pelo pólo positivo da fonte, eles continuam a pular de lacuna em lacuna, abrindo espaço para que outros elétrons possam vir atrás deles. Com esse movimento, forma-se uma corrente elétrica. O semicondutor passa a se comportar como um condutor normal.
Um dado técnico importante: para que ocorra o que está descrito na figura, é necessário que a bateria supra mais do que 0,7 volts, que é o valor da barreira de potencial que se forma na camada de depleção de um diodo de silício.
Vamos agora inverter a polaridade da bateria. Vamos conectar o terminal positivo da bateria à porção N do diodo e o terminal negativo à porção P. Desta forma, os elétrons da região N são atraídos pelas lacunas do pólo positivo da bateria e as lacunas da região P são completadas pelos elétrons do pólo negativo. Observe o que acontece:


Polarização inversa A camada de depleção aumenta sensivelmente. Se ela já dificultava a passagem de corrente, agora torna-se virtualmente impossível transpô-la. Os portadores majoritários de cada lado ficam ainda mais isolados. O semicondutor, então, passa a se comportar como um isolante. Não há passagem de corrente elétrica.
Esse foi um grande passo no desenvolvimento da eletrônica. As válvulas diodo puderam ser substituídas com muitas vantagens pelo diodo semicondutor. E foi dado o passo definitivo para a construção do transístor.

Diodo (ampliado 3 vezes)

Símbolo do Diodo

Como nos velhos tempos...

Dissemos no início que o diodo era capaz de separar a informação contida nas ondas de rádio recebidas. Caso você resida próximo a uma estação de rádio, poderá comprovar isso facilmente. Com apenas um diodo, facilmente encontrado em lojas de componentes ou em oficinas eletrônicas, é possível montar um rádio primitivo. Veja o esquema abaixo. Como o nosso "rádio" não possui sintonizador (separador das freqüências das diversas estações), você precisa estar próximo a uma destas estações para que o sinal seja bastante forte para ser captado. Esse era justamente o problema dos cientistas pioneiros.

 Rádio primitivo