UM POUCO DE HISTÓRIA ...

...de um fabuloso dispositivo eletrônico que encontrou lugar em todo tipo de aparelhos e equipamentos eletrônicos e que mudou drasticamente nossas vidas :

o transistor.

Os computadores de hoje possuem diversos microchips, cada um contendo milhares ou até milhões de transistores.

Inventado por cientistas do Bell Telephone Laboratories no dia 16 de dezembro de 1947 (cinqüenta anos depois da descoberta do elétron por Joseph John Thomson e cem anos depois do nascimento de Alexander Graham Bell ) o transistor valeu aos seus inventores o prêmio Nobel de física de 1956. É citado na edição de janeiro de 1998 da revista Proceedings of the IEEE (edição comemorativa dos 50 anos do transistor) como "a invenção da engenharia elétrica mais revolucionária do século 20, cujo impacto é sentido a todo momento, em todo lugar na era da informação".

    A história do transistor começa há mais de cinqüenta anos, em 1947. A Segunda Guerra havia terminado, e as indústrias de todo o mundo procuravam tomar novos rumos. Armas e equipamentos bélicos não eram mais a prioridade. A economia do pós-guerra trazia novas necessidades.

    A expansão das telecomunicações e da informática naquele período, por exemplo, era bastante promissora. Contudo, a tecnologia da época não favorecia esse desenvolvimento potencial. Sistemas telefônicos, equipamentos de telecomunicações e computadores empregavam um grande número de dispositivos amplificadores e comutadores. Mas os sistemas eletromecânicos disponíveis eram lentos, pouco confiáveis e dissipavam grande quantidade de calor.

    Um desses dispositivos eletromecânicos amplamente utilizados era o relê. A limitação dos relês era sua velocidade ( levavam cerca de um milésimo de segundo para abrir ou fechar um contato).

    Havia ainda a válvula,cujo funcionamento baseava-se no fluxo de elétrons no vácuo. A válvula podia comutar e amplificar, e como os elétrons podiam viajar velozmente no vácuo, era bem mais rápida que o relê (cerca de um milhão de vezes mais rápida). Mas o problema é que as válvulas exigiam fornecimento de energia constante e sua vida útil era bastante limitada. Assim, a válvula era boa em aplicações que empregavam um pequeno número delas. Onde milhares eram necessárias, como em computadores, a válvula não era adequada.

Os semicondutores

    A busca de tecnologias alternativas foi uma conseqüência natural. Cientistas em laboratórios de todo o mundo estavam em busca de um dispositivo eletrônico que substituísse relês e válvulas.

   Na época, os cientistas estudavam as propriedades elétricas de todo tipo de material. Submetiam amostras a dezenas de testes e classificavam os materiais em dois grupos: aqueles que conduziam eletricidade, os condutores, e aqueles que não conduziam, os isolantes(ou dielétricos). Mas, depois de muitos testes, uma surpresa: alguns materiais não se comportavam nem como condutores nem como isolantes: ora conduziam corrente elétrica ora a bloqueavam. Descobriu-se os semicondutores e surgiu finalmente uma alternativa tecnológica interessante para os relês e válvulas. Percebeu-se que esse comportamento conduz/não conduz dos semicondutores podia ser usado para construir comutadores e moduladores eletrônicos. A grande expectativa era que o emprego de dispositivos construídos com semicondutores prometia inúmeras vantagens: elétrons viajando pequenas distâncias em um sólido, nada de partes móveis, nada de filamentos aquecidos e nada de vácuo. Deveria então ser rápido, barato e confiável.

    No verão de 1945, um grupo de pesquisa neste campo foi organizado no Bell Telephone Laboratories em Murray Hill, estado de New Jersey, nos Estados Unidos. A iniciativa foi do diretor de pesquisas do Bell Labs, Mervin Kelly. Há anos Kelly sonhava em encontrar um substituto eletrônico para os relês do sistema telefônico. Ele havia organizado um programa de pesquisa com esse objetivo na década de 30, mas o trabalho foi interrompido com a guerra. Com o fim da guerra, o programa foi reativado.

    No início de 1946, o grupo já estava praticamente formado. O físico William Shockley, o engenheiro elétrico John Bardeen e o físico Walter Brattain.

Da esq. para dir., Bardeen, Shockley e Brattain

    Os cientistas estava surpresos com as pesquisas de dispositivos que empregavam germânio e silício em detetores para radar.

    Esperava-se descobrir outras propriedades promissoras desses materiais semicondutores. Dessa forma, por volta de janeiro de 1946, duas decisões críticas foram tomadas. A primeira foi a decisão de focalizar a atenção do grupo em cristais de silício e germânio, ignorando outros materiais mais complexos utilizados em outras pesquisas. A segunda decisão consistiu em investigar o efeito de campos elétricos em semicondutores.

    Shockley imaginou que seria possível alterar a condutividade de um pequeno bloco de germânio aplicando sobre sua superfície um campo elétrico adequado. Esse campo poderia modificar a distribuição de cargas elétricas no corpo do semicondutor e, consequentemente, alterar sua capacidade de conduzir eletricidade. Tipicamente, o campo era criado aplicando-se uma tensão a uma placa de metal próxima, porém isolada, do material semicondutor. Variando-se a tensão na placa de metal, podia-se variar a corrente fluindo através do semicondutor, obtendo-se assim um ganho de potência. Contudo, todas as tentativas nesse sentido foram frustradas.

    Foi Bardeen quem descobriu por quê. Ele sugeriu que o campo elétrico aplicado não penetrava apropriadamente no semicondutor. Isso devia-se a cargas elétricas imóveis, situadas na superfície do material. Essas cargas, embora em número reduzido, acabavam por criar uma blindagem que "protegia" o semicondutor do campo elétrico aplicado. Brattain conduziu experimentos que confirmaram o modelo proposto por Bardeen. Finalmente algum progresso era feito.

A invenção do transistor

    Os pesquisadores do Bell Labs tentaram, então, encontrar formas de minimizar o efeito das cargas na superfície. Tentaram diversos tipos de montagens e configurações a fim de verificar o tão esperado efeito de campo. No dia 16 de dezembro de 1947, em uma dessas montagens, Brattain utilizou dois contatos de ouro separados por apenas alguns milímetros e pressionados contra a superfície de um pequeno bloco de germânio. Com as devidas tensões elétricas aplicadas, os cientistas verificaram que uma corrente elétrica fluía pelo material semicondutor, configurando assim o efeito de amplificação tão desejado (efeito transistor).

    O primeiro transistor construído por Bardeen e Brattain ficou conhecido como transistor de ponto de contato. Esse transistor fazia o trabalho de uma válvula termoiônica sem requerer um anodo de alta tensão e um catodo em alta temperatura para emitir elétrons.

O primeiro transistor, construído por Bardeen e Brattain

    No dia 24, o dispositivo foi apresentado à diretoria do Bell Labs, desta vez funcionando como um oscilador (a oscilação é uma característica fundamental em telecomunicações, sendo usada em equipamentos de geração e recepção de sinais).

    Contudo, ainda não se entendia perfeitamente o funcionamento do dispositivo. Seria um efeito de superfície ou a ação estava ocorrendo no corpo do semicondutor? Bardeen e Brattain continuaram pesquisando os efeitos na superfície. Shockley, contudo, havia percebido a importância da movimentação de cargas elétricas no interior do semicondutor. No final de janeiro de 1948, ele completou a formulação teórica de um dispositivo semicondutor que mais tarde seria chamado de "transistor de junção".

    O anúncio da descoberta do transistor, contudo, foi adiado até junho de 1948. Estes seis meses foram gastos pesquisando-se mais sobre o dispositivo, buscando entendê-lo melhor e investigando suas possíveis aplicações. O objetivo era obter uma posição melhor para o registro das patentes. No dia 17 de junho de 1948, Bardeen e Brattain entraram com um pedido de patente para o transistor de ponto de contato. No dia 26, Shockley registrou um pedido de patente para o seu transistor de junção. Até então, o transistor era um segredo do Bell Labs.

    No dia 30 de junho de 1948, o transistor de Brattain e Bardeen foi demonstrado para a imprensa nas instalações do Bell Labs em Nova York.

A imprensa comum deu pouca atenção, mas a imprensa especializada reconheceu sua importância. O jornal The New York Times reportou a história quase na última página no dia 1º de julho de 1948 na sua coluna "As Notícias do Rádio" :

"Um dispositivo chamado transistor, com inúmeras aplicações no rádio, onde as válvulas são amplamente empregadas, foi demonstrado pela primeira vez ontem no Bell Telephone Laboratories, na rua West, 463, onde foi inventado. O dispositivo foi usado num receptor de rádio, que não continha nenhum tipo de válvula convencional. Foi mostrado também num sistema telefônico e num aparelho de televisão . Em cada caso, o transistor foi empregado como amplificador, embora seja dito que ele possa ser usado também como oscilador, de forma a criar e enviar ondas de rádio. No formato de um pequeno cilindro metálico com pouco mais de meia polegada de comprimento, o transistor não contém vácuo, grade, placas ou invólucro de vidro para manter o ar afastado. Sua ação é instantânea, não havendo atrasos por aquecimento, uma vez que não é gerado calor como em uma válvula. As partes funcionais do dispositivo consistem somente de dois finos fios que se ligam a uma placa de material semicondutor soldada a uma base de metal. O material na base de metal amplifica a corrente que chega até ela por um dos fios. O outro fio conduz a corrente amplificada."

    Em 15 de julho de 1948, a revista especializada Physical Review publicou três artigos sobre o transistor: dois de Brattain e Bardeen e um de Shockley. Foram os primeiros artigos técnicos amplamente difundidos explicando os princípios básicos do novo dispositivo. 

Do laboratório para a indústria

    Mais alguns anos se passaram e outros experimentos e descobertas se sucederam. Assim, num período de poucos anos após o estabelecimento do grupo de semicondutores no Bell Labs, a invenção do transistor estava essencialmente completa, entendida e documentada. (Em 1950, Shockley publicou o livro "Electrons and Holes in Semiconductors".) A fase científica estava chegando ao fim. A próxima fase consistia em resolver problemas mais práticos para a produção de transistores em grande escala.

    Em primeiro lugar, havia dois tipos de transistor que eventualmente poderiam ser fabricados: o transistor de ponto de contato e o transistor de junção. O transistor de ponto de contato tinha muitas desvantagens. Era difícil de fabricá-lo e suas características elétricas estavam longe de ser ideais ( eram muito variáveis, difíceis de ser controladas e muito instáveis). O transistor de junção, por outro lado, tinha características elétricas mais desejáveis e estáveis. Sua fabricação, contudo, também era bastante complexa; exigia técnicas bastante apuradas e sensíveis, sendo difícil automatizar a produção.

    Havia ainda muitos outros problemas, como conseguir que o transistor funcionasse em altas freqüências, como as válvulas, e que fosse capaz de suportar potências elevadas, como os relês.

    Para operar em altas freqüências, os transistores deviam ser pequenos, mas para suportar elevada potência, tinham que ser grandes. Além das dificuldades tecnológicas, havia uma inércia muito grande por parte da indústria para aceitar o transistor. Os engenheiros e técnicos da época já estavam acostumados com as válvulas, cujo funcionamento era relativamente simples e intuitivo. Já o transistor era um componente complexo, seu funcionamento envolvia até física quântica. Era natural que surgisse um clima de insegurança frente à necessidade de aprender novas técnicas de projeto e construção de circuitos eletrônicos. Algumas companhias chegaram a afirmar que o transistor, devido a sua baixa confiabilidade e sujeição inerente a ruídos, nunca iria substituir a válvula.

    Além disso, o transistor ainda era mais caro do que as válvulas, que dominavam completamente a indústria. Com poucas exceções, os fabricantes de válvulas não estavam nada entusiasmados com o transistor.

    O equipamento para a produção das válvulas já estava em boa parte amortizado, então a fabricação de válvulas era uma máquina de ganhar dinheiro.

    Mas, aos poucos, o transistor e sua fabricação foram sendo aprimorados e suas vantagens sobre as válvulas tornavam-se cada vez mais evidentes. Algumas empresas ainda tentavam resistir. Na época, a RCA chegou a introduzir uma pequena válvula de baixa tensão chamada "Nuvistor". Tinha um invólucro de cerâmica e era pouco maior que os transistores da época. Mas foi uma batalha perdida. O Nuvistor foi empregado por um curto período em aparelhos de TV da RCA, e em seguida desapareceu juntamente com a maioria das outras válvulas à medida que a era do estado sólido emergiu.

    Dessa forma, os primeiros fabricantes de transistores eram na sua maioria fabricantes de válvulas. Contudo, algumas empresas iniciantes foram bem-sucedidas.

   Talvez o maior exemplo seja a Texas Instruments, que na época fabricava instrumentos geofísicos. A companhia viu uma grande oportunidade nos transistores e, em 1953, obteve uma licença do Bell Labs, estabeleceu um laboratório próprio e chamou pesquisadores de renome para conduzi-lo. Um ano depois, a Texas Instruments anunciou o primeiro transistor de silício. O silício apresentava diversas vantagens sobre o germânio: suas características elétricas eram melhores, podia suportar muito mais potência e podia operar em uma faixa de temperatura ambiente bem mais ampla, além de haver suprimento de matéria prima praticamente infinito. As desvantagens do silício eram seu ponto de fusão elevado (que exigia processos metalúrgicos mais complexos) e o fato de o silício ser mais reativo quimicamente do que o germânio (o que facilitava a contaminação). Essas dificuldades, contudo, foram logo superadas e a fabricação de dispositivos de silício tornou-se dominante. Com o advento do transistor de silício, a Texas Instruments tornou-se instantaneamente uma poderosa concorrente no mercado.

    Além disso, para combater a resistência da indústria contra o transistor, foi decisiva a atuação do Bell Labs no sentido de promover uma ampla difusão de informações sobre o dispositivo. Em 1951 e 1952 foram organizados simpósios para interessados do governo, indústria e do meio acadêmico. A idéia era divulgar as técnicas de fabricação de transistores e esclarecer detalhes sobre seu funcionamento. Além disso, por apenas 25 mil dólares, conseguia-se do Bell Labs a licença para produzir transistores. Mas, poderíamos nos perguntar: por que o Bell Labs não manteve essa valiosa invenção como uma propriedade exclusiva sua? Por que concedia a licença para fabricação de transistores por tão pouco? Qual era a intenção da empresa ao promover a disseminação do dispositivo? A idéia por trás dessa estratégia aparentemente insensata era que outras empresas entrassem no negócio, alavancando o setor e desenvolvendo novas tecnologias que pudessem ser empregadas nos sistemas de telecomunicações. O Bell Labs certamente ganharia muito dinheiro com isso. Um outro motivo era a forte cultura de troca informações na indústria de semicondutores, embora essa indústria fosse bastante competitiva. O rápido progresso na fabricação de transistores deveu-se em grande parte ao intenso intercâmbio tecnológico entre companhias, centros de pesquisa do governo e laboratórios de universidades.

    O início da década de 50 foi marcado por rápidas melhorias nas características e na fabricação de transistores. Avanços sucediam-se rapidamente e os novos dispositivos eram capazes de operar em freqüências cada vez maiores.

    Alguns pesquisadores desenvolviam outros tipos de dispositivos semicondutores, e finalmente foi construído o transistor por efeito de campo (tecnologia batizada de FET -- field effect transistor). Os primeiros JFETs (junction field effect transistors) foram produzidos pela Crystalonics em Cambridge, Massachusetts, em 1960.

O transistor espalha-se pelo mundo...

    Tendo superado as dificuldades de fabricação em larga escala do transistor, era hora de empregá-lo na prática, buscando substituir a válvula no maior número de aplicações possível. Essa não era uma tarefa fácil, já que os transistores eram então fabricados em tamanhos reduzidos, o que dificultava sua capacidade de suportar altas potências. Além disso, não suportavam freqüências de operação tão elevadas quanto às das válvulas.

    Enquanto isso, outras iniciativas tomavam corpo e mais tarde fariam surgir aquilo que hoje conhecemos como Vale do Silício (Silicon Valley). Em 1954, William Shockley deixou o Bell Labs e mudou-se para Palo Alto, uma pequena cidade no estado da Califórnia, Estados Unidos, onde iniciou sua própria companhia, a Shockley Semiconductor Laboratory. Para levá-la adiante, Shockley contratou um grupo de físicos e engenheiros jovens e ambiciosos de companhias de eletrônicos , incluindo um grupo de oito pesquisadores que logo deixariam sua marca na história da microeletrônica, embora sem a companhia de Shockley.

    Os oito (Julius Blank, Victor Grinich, Jean Hoerni, Eugene Kliner, Jay Last, Gordon E. Moore, Robert N. Noyce e Sheldon Roberts ) não conseguiram se entender com Shockley e com sua maneira de conduzir os negócios. Depois de dois anos, em 1957, saíram para formar sua própria companhia. Nasceu assim a Fairchild Semiconductor (hoje conhecida por originar uma série de outras empresas sediadas na Vale do Silício). Com a saída em massa, a companhia de Shockley acabou perdendo o rumo e depois de ter sido comprada por duas vezes, acabou fechando as portas em 1969.

    A Fairchild iniciou logo suas atividades e introduziu e aperfeiçoou processos e técnicas com sucesso.

    Entre as inovações bem-sucedidas, estava a fabricação de transistores utilizando um processo chamado de difusão. Consistia em envolver o material semicondutor em um gás contendo determinados elementos químicos (chamados de impurezas). Em seguida, variava-se a temperatura de modo que as impurezas penetrassem no semicondutor. Tal processo permitia controlar com precisão a penetração de impurezas no semicondutor. Com isso, podia-se criar no semicondutor regiões bastante finas dopadas com impurezas. Essas regiões dotadas de diferentes propriedades elétricas é que tornavam o efeito transistor possível. A espessura da base (uma dessas regiões) era importante para que o transistor funcionasse com freqüências elevadas.

    Dessa forma, apesar de a lâmina de semicondutor ter de ser grossa o suficiente para ser mecanicamente resistente, a base devia ser bastante fina. Uma base com espessura de 10 mícrons propiciava freqüências de operação de apenas alguns megahertz. Era necessário aperfeiçoar as técnicas de fabricação para se conseguir bases ainda mais estreitas e consequentemente dispositivos que pudessem ser usados nas diversas aplicações eletrônicas. Esse problema foi resolvido com um outro processo: o processo epitaxial. Esta nova técnica aprimorava o processo de difusão, permitindo a fabricação de transistores que suportavam alta freqüência de operação e elevada potência. Logo foram fabricados transistores com freqüências da ordem de centenas de megahertz.

   O processo de difusão e o processo epitaxial tiveram um impacto fundamental na fabricação de dispositivos semicondutores e foram decisivos para o surgimento dos circuitos integrados.

    Outros avanços importantes deram-se com a descoberta de que uma camada de dióxido de silício podia impedir a difusão de certos átomos de impurezas na lâmina de silício. A difusão, contudo, poderia ocorrer desimpedida através de "janelas" na camada de dióxido de silício. Essas descobertas deram início ao emprego de técnicas de fotolitografia para a "impressão" de padrões sobre o silício. Esses padrões podiam determinar as regiões onde a difusão iria ocorrer. 

    O transistor, contudo, apresentava ainda outros problemas. Era muito sensível a variações de temperatura e umidade. No início tentou-se empregar blindagens de vidro, aproveitando a experiência com a fabricação de válvulas. Mas definitivamente esta não era uma solução adequada. No início de 1958, pesquisadores da Fairchild descobriram como usar o próprio dióxido de silício como uma efetiva proteção que impedisse a degradação do transistor. Essa proteção praticamente resolveu o problema de confiabilidade do dispositivo.

BACK