Semicondutores O advento do transistor, a maior invenção do século passado

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E COMPUTAÇÃO
EE410 - INTRODUÇÃO À CIÊNCIA DOS MATERIAIS PARA ENGENHARIA
ELÉTRICA.
Semicondutores: O advento do transistor, a maior invenção do século passado.
Alunos: Luís Pedro Feio Carvalho (RA:240377)
Luana Oliveira dos Santos (RA: 230559)
Professor: Romis Ribeiro de Faissol Attux
CAMPINAS-SP
Julho/2022
Introdução
Apesar de pouco conhecido pelos público em geral, o transistor é um componente
eletrônico onipresente em todos os computadores presentes na vida cotidiana.
Valendo-se da propriedade dos semicondutores, a humanidade foi capaz de
controlar e amplificar sinais elétricos de maneira fácil, e isso possibilitou a criação e
o aprimoramento dos computadores, que foram ficando cada vez menores e mais
rápidos.
Válvulas e o controle do fluxo de corrente
No início da eletrônica computacional, logo se percebeu que a realização de
cálculos não poderia ser feita em base decimal, era necessário simplificar ao
máximo a representação dos números, mas mantendo os resultados fidedignos.
Dessa forma se adotou a álgebra booleana como base dos sistemas
computacionais, baseando-se no uso de apenas 2 sinais distintos para a
representação matemática: Verdadeiro e Falso. Apesar disso, era necessário uma
forma de representar esses valores utilizando corrente elétrica, dessa forma,
primeiramente foram se utilizando as válvulas, a mais primitiva sendo a
Válvula-Diodo, que se utilizava da “nuvem de elétrons´” presentes em um filamento
metálico dentro de um bulbo á vácuo, dentro desse bulbo existia também um
eletrodo, e quando se energiza esse conjunto, dependendo da polaridade que era
disposto, a nuvem eletrônica podia formar uma corrente elétrica.
Figura 1: Válvula diodo com fluxo de elétrons do filamento para o eletrodo.
Posteriormente, essa tecnologia foi aperfeiçoada e foi criada a Válvula Triodo, esta
que contava com uma tela de metal entre a placa e o cátodo. Quando se aplica uma
tensão nessa tela, se consegue controlar o fluxo de elétrons do catodo para o
anodo, e também amplificar sinais elétricos.
Figura 2: Estrutura da válvula Triodo.
Apesar da grande utilidade dessas válvulas, não eram componentes fáceis de se
utilizar, demandam muita energia, tinham tamanho avantajado e constantemente
superaqueciam e queimavam. Com eles foram construídos os primeiros
computadores, como o ENIAC, que ocupava 180 m² de área construída, contava
com 18 mil válvulas a vácuo que gastavam 200 mil watts de energia em
funcionamento!
A Invenção do Transistor
Com todo o avanço tecnológico na eletrônica surgindo com as válvulas, foi no Bells
Lab, Empresa Norte Americana de avanço Tecnológico e Científico que o transistor
surgiu, porém inicialmente seu foco não era na utilização para computadores.
William Shockley, John Bardeen e Walter House Brittain foram os físicos
responsáveis pela criação do componente em 1947. Para isso, eles precisaram
observar compreender o processo de movimentação dos elétrons em um
semicondutor, Bardeen chegou a criar um novo ramo na mecânica quântica
chamada de “Física de Superfície“ para descrever os fenômenos constatados.
Baseando-se no Diodo, eles puderam relacionar que se controlassem o fluxo de
elétrons que passa pelo material, seria possível obter um efeito análogo ao do
Triodo. Ao aplicar a corrente na ligação de “base” os elétrons ou “lacunas” seriam
“transportados” no bloco do semicondutor, e coletados na outra superfície. Quanto
menor a distância entre o emissor e o coletor, menos corrente seria necessária para
controlar o componente.
Figura 3: Transistor NPN e analogia com fluxo de água
Como o dispositivo foi fabricado no Bells Lab, seu principal uso era em
comunicação. Os físicos conseguiram fazer com que a invenção fosse capaz de
amplificar sinais de altas e baixas frequências, ao testar diversas combinações de
metais e semicondutores, chegaram a uma combinação de contatos de ouro em
uma placa de germânio, o que lhes rendeu o prêmio Nobel de física em 1956.
O Funcionamento
Aos poucos essa tecnologia foi se aprimorando e passou a ser utilizada com
diversos materiais. Hoje os transistores mais comuns são baseados no silício, que é
submetido ao processo de doping (intrusão de impurezas para obter características
específicas).
Pode-se utilizar arsênico, fósforo ou antimônio, e dessa forma o material fica com
"excesso" de elétrons, facilitando a passagem de corrente, assim obtemos um
material tipo N (negativo), ou pode-se utilizar elementos como boro, alumínio e
gálio, o silício tratado dessa maneira possui mais “lacunas”, então é chamado de
tipo P (positivo), portanto nessa forma os elétrons de materiais próximos tendem a
fluir para esse material.
Figura 4: Transistor de silício.
O tipo de silício obtido com a dopagem é disposto em camadas, resultando em
transistores do tipo PNP e NPN, dessa forma foi possível criar diferentes tipos de
transistores para as mais diversas aplicações.
Nos Computadores
Aos poucos foi se percebendo as vantagens de usar transistores nos computadores,
e dessa forma as válvulas foram substituídas dessas máquinas logo na década de
1960, visto que os transistores apresentam mais vantagens, relacionadas ao
tamanho, preço, gasto energético, durabilidade, entre outros. Outro aspecto que
impulsionou essa substituição foi a guerra fria, pois devido a demanda por
tecnologia superior à soviética, os EUA incentivaram a criação de componentes
cada vez mais menores e confiáveis.
O computador se utiliza do funcionamento do transistor para armazenar
informações e fazer cálculos, com eles são formadas portas lógicas, que são
circuitos que reagem a diferentes entradas e enviam uma saída, tudo isso baseado
na álgebra Booleana.
Tendo esse funcionamento como base se formaram circuitos cada vez mais
complexos, chegando a criação de microprocessadores, contendo milhares de
transistores, que chegam a fazer interações com únicos elétrons nas tecnologias
mais modernas. Uma observação que descreve isso é a lei de Moore, descrita por
Gordon Moore (fundador da Intel) em 1965 e válida até hoje, que diz que os
transistores de um circuito integrado dobra a cada 18 meses (mantendo o mesmo
espaço físico).
Figura 5: Diagrama da Lei de Moore que mostra o aumento da capacidade das
memórias e a redução no tamanho dos dispositivos eletrônicos.
Conclusão
O advento do transistor possibilitou que a eletrônica avançasse em uma
velocidade absurda, e proporcionou a criação e sucesso de empresas que
souberam se adaptar e se inserir no mercado ( exemplo a Intel), porém empresas
antigas que apostaram nas válvulas foram aos poucos sendo absorvidas pelo
mercado.
Dessa forma, com a evolução da tecnologia dos semicondutores sendo contínua
até os dias de hoje, percebe-se como a invenção do transistor foi a maior e mais
importante do século passado, possibilitando que a vida cotidiana seja como é hoje,
com dispositivos eletrônicos pequenos ou grandes onipresentes: hoje existem
computadores nos carros, cafeteiras, televisões e até nos nossos próprios bolsos! e
sem o transistor nada disso seria possível da maneira como conhecemos. Tudo isso
sucedeu devido a revolução que o transistor fez na indústria eletrônica, pois é
inimaginável que uma simples calculadora científica presente em qualquer aplicativo
de celular nos dias de hoje, há menos de 80 anos ocupava andares.
Consequentemente, a única certeza que se tem com o avanço da tecnologia dos
dispositivos semicondutores é que ele continuará mais e mais a nos surpreender
positivamente nos próximos anos.
Fontes:
- https://www.newtoncbraga.com.br/index.php/valvulados/457-as-valvulas
-o-que-voce-precisa-sobre-esses-componentes-antigos-v001?showall=1
&limitstart=
- https://tecnoblog.net/especiais/eniac-primeiro-computador-do-mundo-c
ompleta-65-anos/
- https://embarcados.com.br/a-historia-do-primeiro-transistor/
- https://www.showmetech.com.br/transistor-entenda-importancia-compo
nente/
- http://www.eletr.ufpr.br/mehl/historia_transistor.pdf
https://www.newtoncbraga.com.br/index.php/valvulados/457-as-valvulas-o-que-voce-precisa-sobre-esses-componentes-antigos-v001?showall=1&limitstart=https://www.newtoncbraga.com.br/index.php/valvulados/457-as-valvulas-o-que-voce-precisa-sobre-esses-componentes-antigos-v001?showall=1&limitstart=
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https://tecnoblog.net/especiais/eniac-primeiro-computador-do-mundo-completa-65-anos/
https://tecnoblog.net/especiais/eniac-primeiro-computador-do-mundo-completa-65-anos/
https://embarcados.com.br/a-historia-do-primeiro-transistor/
https://www.showmetech.com.br/transistor-entenda-importancia-componente/
https://www.showmetech.com.br/transistor-entenda-importancia-componente/
http://www.eletr.ufpr.br/mehl/historia_transistor.pdf