HIstória dos transístores e FETs

Você já deve ter ouvido falar das válvulas, certo? Mas, assim como eu, provavelmente nunca trabalhou com uma… Como elas surgiram e como funcionam?

No final do século XIX, em 1875, Alexander Graham Bell e dois empresários, criaram a empresa de telefonia American Telephone & Telegraph Company, conhecida por sua sigla, AT&T. A empresa explora (até hoje) a invenção de seu proprietário e, como se podia esperar, ganhou muito dinheiro… A gigante das telecomunicações americana começou logo a sofrer com a perda da patente do seu produto (o telefone)… Explico: Patentes têm tempo de vida limitado, especialmente se o assunto é de interesse público. Depois de alguns anos a patente torna-se de “domínio público”, podendo ser explorada por qualquer um…

No início do século XX a AT&T viu-se perdendo clientes porque diversas pequenas empresas estavam criando suas próprias “redes” de pequeno alcance com custos mais baratos. A solução? Ela precisava oferecer serviços de telefonia (voz) para longas distâncias… Isso era um grande problema, na época, já que amplificadores simplesmente não existiam. O sinal elétrico sofre perdas e chega, do outro lado dos fios, baixinho… É preciso amplificá-lo e retransmití-0, digamos, a cada quilometro de distância da fonte.

triodo
A primeira válvula e seu símbolo

Embora em 1904 já existissem diodos explorando o que os físicos da época chamavam de termiônica (é uma espécie de “eletrônica” via efeitos térmicos), em 1906 um físico contratado pela AT&T para resolver o problema da amplificação descobriu que poderia inserir uma “placa” entre o filamento (fonte de elétrons) e o anodo (receptor do fluxo de elétrons) e controlar esse fluxo. A placa, ou grade, funciona como se fosse uma porta: Quanto mais “aberta”, mais elétrons passam. O nome dado a tal dispositivo foi “triodo”. Surge o primeiro amplificador.

Com o triodo pode-se controlar o fluxo de elétrons, entre o anodo e o catodo, fornecido pelo filamento, através do “gate”… A tensão entre o “gate” e o catodo é pequena, para uma modulação suficiente do fluxo entre A e K. E, voilà! Agora era possível amplificar e retransmitir sinais em grandes distâncias… A primeira linha telefônica de longa distância (da costa leste à costa oeste dos EUA) foi criada. Logo seguiu toda a infraestrutura para abraçar todo o país.

Claro que existe um problema extra: Com a termiônica existe a tendências das coisas “queimarem”! Válvulas tinham vida curta. Paravam de funcionar com facilidade. Era necessário descobrir uma maneira mais duradoura. E, até meados do século XX, uma outra disciplina estava em estudo para substituir a terminônica: Ao invés de lidar com efeitos térmicos, por que não lidar com efeitos quânticos? A mecânica quântica estava começando a fazer algum sucesso no início do século XX, mas ninguém a entendia direito… O único efeito prático, em termos de “eletrônica”, era o do diodo… Mas, tinha que ter um jeito de criar uma válvula “eletrônica”… Tinha que ter…

Pouco antes da 2ª guerra mundial a AT&T financiou um grande “laboratório” de pesquisas: Bell Labs. Obviamente, um dos interesses era descobrir um bom substituto para a válvula. Trabalho que ficou a cargo de um físico teórico chamado William Schokley. Embora brilhante, o sujeito era ruim com experimentos e não tinha lá muita experiência com “eletrônica”. Dois outros físicos juntaram-se à equipe: Um físico experimental e outro, teórico, especializado no comportamento de elétrons em sólidos. Levou uns bons anos para descobrirem o transístor… E aqui a história do FET começa.

O transístor de efeito de campo foi um fracasso!

Elementos semi-condutores têm algumas características interessantes, se comparados com metais… Eles não conduzem tão bem (mas, não são isolantes) e, quando submetidos a aumento de temperatura, ao invés de oferecerem mais resistência elétrica, oferecem menos. Quanto mais quentes, mais conduzem…

Não é o ocorre num fio de cobre, por exemplo… Esse fato, em si, tem consequências interessantes para o desenvolvimento da eletrônica… Nas válvulas um filamento tem que ser aquecido através da aplicação de uma corrente elétrica. Quanto mais quente, mais corrente precisa. Daí, válvulas consomem muita energia somente para manter a fonte de elétrons “a pleno vapor”. Não é o que parece acontecer com os semicondutores como Germânio e Silício… Eles conduzem melhor quentes! Isso significa que não é preciso aquecer um semicondutor para obter o mesmo efeito do triodo…

Isso já era sabido nos anos 40, pelo menos hipoteticamente… Schokley teve uma ideia: E se eu “puxasse” as cargas livres de um elemento semicondutor para a superfície? Isso formaria um “canal” onde os elétrons poderiam fluir mais facilmente! Esse negócio de “puxar” as cargas livres pode ser conseguida por um efeito capacitivo: Coloca-se uma placa metálica sobre uma barrinha de Germânio ou Silício, sem que elas se toquem, e carrega-se positivamente a placa. No cristal semicondutor as cargas negativas livres deverão se aproximar da superfície formando um canal, fazendo a configuração eletrônica do cristal deixar de ser caótica e tornar-se ordenada, facilitando o fluxo de corrente elétrica…

Foi uma excelente ideia! Pena que não funcionou.

É claro que, praticamente toda a nova eletrônica de hoje em dia é baseada precisamente neste princípio. Descobrimos o que Schokley fez de errado em seu experimento. Mas, na época, o “efeito de campo” foi abandonado e o que se seguiu deu origem ao transístor de junção…

O transístor de efeito de campo (FET):

A ideia de Schokley é o que chamamos, hoje, de MOSFET. Eis como funciona:

Como o MOSFET funciona.
Como o MOSFET funciona.

Queremos controlar a corrente circulando entre os terminais Source e Drain. O terminal Gate é ligado a uma placa metálica, separada do cristal P por uma camada isolante de óxido de silício (SiO2), formando um pequeno capacitor. Ao ser carregado positivamente, forma-se uma canal de cargas negativas no cristal P perto do gate. Cria-se um “campo” eletrostático que é como se transformássemos esse pedaço do cristal P em cristão N, fechando o circuito entre os dois cristais N.

O experimento de Schokley falhou por diversos motivos. Dentre eles, a pureza dos cristais e o desconhecimento da barreira de potencial das junções…

O diagrama acima é apenas um exemplo. O capacitor formado pelo substrato P e o gate é feito de outra forma. Existe um quarto terminal, o Bulk ou Body. Abaixo temos o símbolo de um MOSFET de canal N, à esquerda, e o diagrama esquemático de sua configuração:

mosfet

Os MOSFETS de canal P têm, na simbologia, a setinha no sentido contrário.

A vantagem do MOSFET sobre o BJT

Ambos MOSFET e BJT sofrem com algum efeito capacitivo… Uma junção é obtida por uma reação química, introduzindo impurezas no cristal, aumentando a quantidade de “cargas livres”, sejam “lacunas” ou cargas negativas… Há uma divisão de materiais e é como se existisse uma pequena região isolada entre os cristais. É claro que esse isolamento é tão pequeno que o efeito capacitivo é insignificante, mas ele existe… Os MOSFET também o têm porque causa das duas junções entre o substrato e os cristais ligados à fonte e dreno…

A vantagem real do MOSFET é que no capacitor existente entre o Gate e o Body só haverá fluxo de cargas (corrente elétrica) no momento de sua carga ou descarga. Uma vez que a carga é estabelecida, não há consumo de energia! Ou, pelo menos, é bem próxima de zero. Isso difere um bocado dos BJT, onde a polarização direta base-emissor é essencial para o efeito de amplificação.

Outro detalhe é que, em teoria, podemos fazer o espaço entre os cristais ligados à fonte e ao dreno tão próximo quanto possível. O transístor pode ser miniaturizado em escalas moleculares! Isso não é possível com o BJT, onde o tamanho do cristal da base, em relação aos outros dois, é importante.

De fato, se você der uma olhada nas especificações de microprocessadores modernos, verá algo como “usando tecnologia de 32 nm”. O limite prático para o distanciamento dos cristais parece girar em torno dos 25 nm, em microprocessadores mais recentes. Para conseguir isso, tensões e correntes cada vez menores são usadas nas especificações dos circuitos…

 

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