Transistor história: vadear ao toque no escuro

O caminho para as chaves de estado sólido era longo e difícil. Começou com a descoberta de que certos materiais se comportam estranhamente na presença de eletricidade - não da maneira que as teorias que existiam então previam. Isso foi seguido por uma história sobre como, no século 20, a tecnologia se tornou uma disciplina cada vez mais científica e institucional. Amadores, novatos e inventores profissionais, praticamente sem formação científica, deram sérias contribuições ao desenvolvimento do telégrafo, telefonia e rádio. Mas, como veremos, quase todos os avanços na história da eletrônica de estado sólido ocorreram graças a cientistas estudando em universidades (e geralmente com Ph.D. em física) e trabalhando em universidades ou laboratórios de pesquisa corporativa.

Qualquer pessoa com acesso a uma oficina e com habilidades básicas no trabalho com materiais pode montar relés a partir de fios, metal e madeira. Para criar lâmpadas eletrônicas, são necessárias ferramentas mais especializadas que podem criar um balão de vidro e bombear ar para fora dele. Os dispositivos de estado sólido desapareceram em uma toca de coelho, da qual o comutador digital nunca retornou, e mergulharam em mundos que eram compreensíveis apenas para abstrair a matemática e acessíveis apenas com equipamentos incrivelmente caros.

Galenite

Em 1874, Ferdinand Brown , físico de 24 anos da School of St. Thomas em Leipzig, publicou o primeiro de muitos trabalhos científicos importantes em sua longa carreira. O trabalho “Sobre a passagem de correntes elétricas através de sulfetos metálicos” foi aceito na revista Annalen, de Pogendorff, uma revista de prestígio dedicada às ciências físicas. Apesar da manchete chata, o trabalho de Brown descreveu vários resultados experimentais surpreendentes e enigmáticos.


Ferdinand Brown

Brown ficou intrigado com os sulfetos - cristais minerais constituídos por compostos de enxofre com metais - graças ao trabalho de Johann Wilhelm Gittorf . Em 1833, Michael Faraday observou que a condutividade do sulfeto de prata aumenta com a temperatura, o que é completamente oposto ao comportamento dos condutores de metal. Hittorf compilou um relatório quantitativo completo sobre as medidas desse efeito na década de 1850, para sulfetos de prata e cobre. Brown, usando uma sofisticada configuração experimental que pressionava um fio de metal a um cristal de sulfeto com uma mola para garantir um bom contato, encontrou algo ainda mais estranho. A condutividade dos cristais dependia da direção - por exemplo, a corrente podia fluir bem em uma direção, mas quando a polaridade da bateria era revertida, a corrente podia repentinamente cair drasticamente. Os cristais em uma direção funcionavam mais como condutores (como metais normais) e, na outra, funcionavam mais como isoladores (como vidro ou borracha). Essa propriedade ficou conhecida como retificação, devido à capacidade de retificar uma corrente alternada “sinuosa”, transformando-a em uma corrente direta “plana”.

Mais ou menos na mesma época, os pesquisadores descobriram outras propriedades estranhas de materiais como o selênio, que podiam ser fundidos a partir de certos minérios de sulfetos metálicos. Sob a influência da luz, o selênio aumentou a condutividade e até começou a gerar eletricidade, além de poder ser usado para retificação. Havia alguma conexão com cristais de sulfeto? Sem modelos teóricos capazes de explicar o que estava acontecendo, reinou a confusão nessa área.

No entanto, a falta de teoria não impediu as tentativas de colocar os resultados em prática. No final da década de 1890, Brown tornou-se professor da Universidade de Estrasburgo - recentemente anexado da França durante a Guerra Franco-Prussiana e renomeado para Universidade de Kaiser Wilhelm. Lá, ele foi sugado para um novo mundo emocionante da telegrafia por rádio. Ele concordou com a proposta de um grupo de empreendedores de criar em conjunto um sistema de comunicação sem fio baseado na transmissão de ondas de rádio através da água. No entanto, ele e seus cúmplices logo abandonaram a idéia original em favor da sinalização aérea, usada por Marconi e outros.

Entre os aspectos do rádio que o grupo de Brown procurou melhorar estava o receptor padrão da época, o coerente . Foi baseado no fato de que as ondas de rádio forçaram os limalhas de metal a se acumularem, o que permitiu que a corrente da bateria passasse para o dispositivo de sinalização. Isso funcionou, mas o sistema respondeu apenas a sinais relativamente fortes e, para quebrar o pedaço de serragem, era necessário atingir constantemente o dispositivo. Brown relembrou seus antigos experimentos com cristais de sulfeto e, em 1899, recriou sua antiga instalação experimental com um novo objetivo - servir como um detector de sinais sem fio. Ele usou o efeito de retificação para converter a minúscula corrente oscilante gerada pelas ondas de rádio que passavam em corrente contínua, que podia ser alimentada por um pequeno alto-falante que produzia cliques audíveis para cada ponto ou traço. Mais tarde, esse dispositivo ficou conhecido como “ detector de bigodes de gato ” devido ao aparecimento da fiação, que tocou facilmente o topo do cristal. Na Índia britânica (onde hoje é Bangladesh), o cientista e inventor Jagadish Bose construiu um dispositivo semelhante, possivelmente até em 1894. O resto logo começou a fabricar detectores semelhantes baseados em silício e carborundo (carboneto de silício).

No entanto, é a galena , sulfeto de chumbo que foi derretido para produzir chumbo desde os tempos antigos, que se tornou o material preferido para detectores de cristal. Acabaram sendo simples de fabricar e baratos, e, como resultado, tornaram-se incrivelmente populares entre a geração inicial de rádio amador. Além disso, ao contrário do coherer binário (com serragem que se desviava ou não), o retificador de cristal podia produzir um sinal contínuo. Portanto, ele podia emitir transmissões sonoras de voz e música, e não apenas o código Morse com seus pontos e traços.


Detector de bigode de gato baseado em Galena. Um pequeno pedaço de arame à esquerda é um bigode e um pedaço de material prateado abaixo é um cristal de galena.

No entanto, como os presuntos irritados logo descobriram, poderia levar minutos ou até horas para encontrar um ponto mágico na superfície do cristal que daria um bom endireitamento. E os sinais sem amplificação eram fracos e tinham um som metálico. Na década de 1920, os receptores baseados em tubo com amplificadores de triodo praticamente eliminaram os detectores de cristal em quase todos os lugares. Sua característica atraente era apenas baixo preço.

Essa breve aparição na arena dos rádios parecia ser o limite da aplicação prática das estranhas propriedades elétricas do material descoberto por Brown e outros.

Óxido de cobre

Então, na década de 1920, outro físico chamado Lars Grondahl descobriu algo estranho com sua configuração experimental. Grondal, o primeiro de uma série de maridos inteligentes e inquietos da história do oeste americano, era filho de um engenheiro civil. Seu pai, que emigrou da Noruega em 1880, trabalhou por várias décadas nas ferrovias da Califórnia, Oregon e Washington. A princípio, Grondal pareceu decidir deixar o mundo da engenharia de seu pai para trás e foi ao Instituto Johns Hopkins para um doutorado em física para seguir o caminho acadêmico. Mas então ele se envolveu no negócio ferroviário e assumiu o cargo de diretor de pesquisa da Union Switch and Signal, uma divisão da gigante industrial Westinghouse , que fornecia equipamentos para a indústria ferroviária.

Várias fontes indicam razões conflitantes que motivaram Grondal a estudá-lo, mas, seja como for, ele começou a experimentar discos de cobre aquecidos de um lado para criar uma camada oxidada. Trabalhando com eles, ele chamou a atenção para a assimetria da corrente - a resistência em uma direção era três vezes maior que na outra. Um disco de cobre e óxido de cobre retificava a corrente, como um cristal de sulfeto.


Circuito retificador de óxido de cobre

Nos seis anos seguintes, Grondal desenvolveu um retificador de uso comercial com base nesse fenômeno, contando com a ajuda de outro pesquisador americano, Paul Geiger, e depois enviou um pedido de patente e anunciou sua descoberta na American Physical Society em 1926. O dispositivo imediatamente se tornou um sucesso comercial. Devido à ausência de fios quebradiços, era muito mais confiável do que um retificador em lâmpadas eletrônicas, com base no princípio da válvula Fleming, e era barato na produção. Ao contrário dos cristais retificadores brownianos, ele trabalhou na primeira tentativa e, graças à maior área de contato do metal e óxido, ele trabalhou com uma ampla gama de correntes e tensões. Ele podia carregar baterias, detectar sinais em vários sistemas elétricos, funcionar como uma derivação de segurança em geradores poderosos. Quando usados ​​como fotocélula, os discos podiam funcionar como medidores de luz e eram especialmente úteis na fotografia. Outros pesquisadores na mesma época desenvolveram retificadores de selênio que encontraram usos semelhantes.


Um pacote de retificadores à base de óxido de cobre. A montagem de vários discos aumentou a resistência reversa, o que permitiu que eles fossem usados ​​com alta tensão.

Alguns anos depois, dois físicos da Bella Laboratories, Joseph Becker e Walter Brattain , decidiram estudar o princípio de operação de um retificador de cobre - eles estavam interessados ​​em saber como funciona e como pode ser usado no Bell System.


Brattain na velhice - aprox. 1950

Brattain era originalmente dos mesmos lugares que Grondal, no noroeste do Pacífico, onde cresceu em uma fazenda localizada a poucos quilômetros da fronteira com o Canadá. No ensino médio, ele se interessou por física, demonstrou habilidades nesse campo e, finalmente, recebeu seu doutorado na Universidade de Minnesota no final dos anos 20, e conseguiu um emprego no Bell Laboratory em 1929. Entre outras coisas, ele estudou as últimas teorias da física teórica na universidade. , ganhando popularidade na Europa e conhecida como mecânica quântica (seu curador foi John Hazbrook Van Fleck , que também instruiu John Atanasov).

Revolução quântica

A nova plataforma teórica vem se desenvolvendo lentamente nas últimas três décadas e, no devido tempo, poderá explicar todos os fenômenos estranhos que foram observados por muitos anos em materiais como galena, selênio e óxido de cobre. Uma coorte inteira de físicos predominantemente jovens, principalmente da Alemanha e de países vizinhos, causou uma revolução quântica na física. Em todo lugar, veja, eles não descobriram o mundo suave e contínuo que lhes ensinavam, mas estranhos pedaços discretos.

Tudo começou na década de 1890. Max Planck, um conhecido professor da Universidade de Berlim, decidiu trabalhar com o conhecido problema não resolvido: como um " corpo absolutamente preto " (uma substância ideal que absorve toda a energia e não a reflete) emite radiação no espectro eletromagnético? Vários modelos foram experimentados, nenhum dos quais coincidiu com os resultados experimentais - eles não conseguiam lidar com um ou outro extremo do espectro. Planck descobriu que, assumindo que a energia é emitida pelo corpo em pequenos "pacotes" de magnitude discreta, podemos escrever uma lei simples da relação entre frequência e energia, que idealmente coincide com resultados empíricos.

Logo depois, Einstein descobriu que o mesmo acontece com a absorção da luz (a primeira sugestão de fótons), e J.J. Thomson mostrou que a eletricidade também é transportada não por um líquido ou onda contínua, mas por partículas discretas - elétrons. Niels Bohr então criou um modelo que explicava como os átomos excitados emitem radiação atribuindo órbitas separadas em um átomo a elétrons, cada um dos quais com sua própria energia. No entanto, esse nome é enganador porque eles se comportam de maneira alguma semelhante às órbitas dos planetas - no modelo de Bohr, os elétrons são transferidos instantaneamente de uma órbita ou nível de energia para outro, sem passar por um estado intermediário. E, finalmente, na década de 1920, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Bourne e outros criaram uma plataforma matemática generalizada conhecida como mecânica quântica, que incluía todos os modelos quânticos especiais criados nos últimos vinte anos.

Nessa época, os físicos já estavam convencidos de que materiais como selênio e galena, demonstrando propriedades fotovoltaicas e retificadoras, pertencem a uma classe separada de materiais, que eles chamavam de semicondutores. A classificação levou tanto tempo por vários motivos. Primeiro, as categorias de "condutores" e "isoladores" eram bastante extensas. T.N. Os "condutores" eram extremamente diferentes em condutividade, o mesmo (em menor grau) era característico dos isoladores, e não era óbvio como um condutor em particular pode ser atribuído a qualquer uma dessas classes. Além disso, até meados do século XX, era impossível obter ou criar substâncias muito puras, e quaisquer estranhezas na condutividade de materiais naturais sempre podiam ser atribuídas à poluição.

Os físicos agora têm ferramentas matemáticas da mecânica quântica e uma nova classe de materiais aos quais elas podem ser aplicadas. O teórico britânico Alan Wilson foi o primeiro a reunir tudo e construiu um modelo geral de semicondutores e o princípio de seu trabalho em 1931.

No início, Wilson argumentou que os materiais condutores diferem dos dielétricos no estado das zonas de energia. A mecânica quântica afirma que os elétrons podem existir em um número limitado de níveis de energia inerentes às conchas ou orbitais de átomos individuais. Se você espremer esses átomos na estrutura de um material, seria mais correto imaginar zonas de energia contínuas passando por ele. Existem locais livres em condutores em zonas de alta energia, e o campo elétrico pode mover elétrons livremente para lá. Nos isoladores, as zonas são preenchidas e, para uma zona condutora mais alta, na qual a eletricidade é mais fácil de passar, escalam bastante longe.

Isso o levou a concluir que impurezas - átomos estranhos na estrutura do material - deveriam contribuir para suas propriedades semicondutoras. Eles podem fornecer elétrons extras que entram facilmente na banda de condução ou furos - a ausência de elétrons em comparação com o restante do material - o que cria pontos de energia vazios onde os elétrons livres podem se mover. A primeira opção foi mais tarde denominada semicondutores do tipo n (ou eletrônicos) - por uma carga negativa em excesso, e a segunda - tipo p, ou furo - por uma carga positiva em excesso.

Finalmente, Wilson sugeriu que a retificação de corrente por semicondutores pode ser explicada em termos do efeito de tunelamento quântico, o salto repentino de elétrons através de uma fina barreira elétrica em um material. A teoria parecia plausível, mas previa que, no retificador, a corrente deveria fluir de óxido para cobre, embora, na realidade, fosse o contrário.

Portanto, apesar de todas as inovações de Wilson, os semicondutores continuavam difíceis de explicar. À medida que se tornou claro, mudanças microscópicas na estrutura cristalina e na concentração de impurezas afetaram desproporcionalmente seu comportamento elétrico macroscópico. Ignorando a falta de entendimento - já que ninguém poderia explicar as observações experimentais feitas por Brown 60 anos antes - Brattain e Becker desenvolveram um processo eficiente de fabricação de retificador de óxido de cobre para seu empregador. O sistema Bell rapidamente começou a substituir os retificadores eletrônicos de lâmpadas em todo o sistema por um novo dispositivo, que seus engenheiros chamaram de varistor , porque sua resistência variava dependendo da direção.

Medalha de ouro

Mervyn Kelly, física e ex-chefe do Departamento de Lâmpadas Eletrônicas do Laboratório Bell, estava muito interessada nessa conquista. Por algumas décadas, as lâmpadas eletrônicas serviram à Bell um serviço inestimável e poderiam desempenhar funções inacessíveis à geração anterior de componentes mecânicos e eletromecânicos. Mas eles eram muito quentes, superaquecidos regularmente, consumiam muita energia e eram difíceis de manter. Kelly estava prestes a reconstruir o sistema Bell de novo com base em componentes eletrônicos de estado sólido mais confiáveis ​​e duradouros, como um varistor, que não exigia gabinetes selados cheios de gás ou filamentos vazios ou quentes. Em 1936, tornou-se chefe do departamento de pesquisa dos Laboratórios Bell e começou a redirecionar a organização para um novo caminho.

Com um retificador de estado sólido, o próximo passo óbvio foi criar um amplificador de estado sólido.Naturalmente, como um amplificador valvulado, esse dispositivo poderia funcionar como um comutador digital. Isso foi de particular interesse para Bella, pois ainda havia um grande número de comutadores digitais eletromecânicos nas centrais telefônicas. A empresa procurava uma substituição mais confiável, compacta, com eficiência energética e a frio de uma lâmpada eletrônica em sistemas telefônicos, rádios, radares e outros equipamentos analógicos, onde eram usados ​​para amplificar sinais fracos para um nível acessível ao ouvido humano.

Em 1936, o Bell Labs finalmente suspendeu a proibição de contratar pessoal introduzido durante a Grande Depressão.. Kelly imediatamente começou a contratar especialistas em mecânica quântica para ajudar a lançar seu programa de pesquisa de dispositivos em estado sólido, incluindo William Shockley , outro nativo da costa oeste de Palo Alto, Califórnia. O tema de sua dissertação recentemente concluída no MIT foi o mais adequado às necessidades de Kelly: "Zonas eletrônicas em cloreto de sódio".

Brattain e Becker continuaram seus estudos sobre um retificador de óxido de cobre, buscando obter um amplificador de estado sólido aprimorado. A maneira mais óbvia de fazer isso era fazer analogia com uma lâmpada eletrônica. Assim como Lee de Forest pegou um amplificador valvulado e colocou uma rede elétricaentre o cátodo e o ânodo, Brattain e Becker apresentaram como inserir uma grade no local onde o cobre e o óxido de cobre entram em contato, onde deveria ocorrer a retificação. No entanto, devido à pequena espessura da camada, eles consideraram impossível fazer isso e não tiveram sucesso.

Enquanto isso, outros desenvolvimentos mostraram que a Bell Labs não era a única empresa interessada em eletrônicos de estado sólido. Em 1938, Rudolf Hills e Robert Paul publicaram os resultados de experimentos realizados na Universidade de Göttingen em um amplificador de estado sólido criado pela introdução de uma grade em um cristal de brometo de potássio. Este dispositivo de laboratório não representava valor prático - principalmente, pois funcionava em uma frequência não superior a 1 Hz. E, no entanto, essa conquista não pôde deixar de alegrar todos os interessados ​​em eletrônicos de estado sólido. No mesmo ano, Kelly identificou Shockley como um novo grupo independente de pesquisa em dispositivos de estado sólido e deu-lhe aos colegas - Foster Knicks e Dean Woolridge - carta branca para estudar suas capacidades.

Pelo menos dois outros inventores conseguiram criar amplificadores de estado sólido antes da Segunda Guerra Mundial. Em 1922, o físico e inventor soviético Oleg Vladimirovich Losev publicou os resultados de experiências bem-sucedidas com semicondutores de zinco, mas seu trabalho passou despercebido pela comunidade ocidental; em 1926, o inventor americano Julius Lilenfield registrou uma patente para um amplificador de estado sólido, mas não há evidências da operabilidade de sua invenção.

A primeira grande inspiração de Shockley em sua nova posição ocorreu ao ler o trabalho do físico britânico Neville Mot, Teoria dos Retificadores de Cristal, de 1938, que finalmente explicou o princípio de operação do retificador Grondal sobre óxido de cobre. Mott usou a matemática da mecânica quântica para descrever a formação de um campo elétrico na junção de um metal condutor e um óxido semicondutor, e como os elétrons pulam sobre essa barreira elétrica, em vez de escavar um túnel, como Wilson sugeriu. A corrente flui mais facilmente do metal para o semicondutor do que vice-versa, uma vez que o metal possui muito mais elétrons livres.

Isso levou Shockley à exatamente a mesma idéia que Brattain e Becker haviam considerado e rejeitado muitos anos antes - para fazer um amplificador de estado sólido inserindo uma grade de óxido de cobre no espaço entre o cobre e o óxido de cobre. Ele esperava que a corrente que circulasse pela rede aumentasse a barreira que restringia a corrente do cobre ao óxido, criando uma versão amplificada e invertida do sinal na rede. Sua primeira tentativa grosseira fracassou completamente, então ele se voltou para um homem que possuía habilidades laboratoriais mais refinadas e conhecia bem os retificadores - Walter Brattain. E, apesar de não ter dúvidas sobre o resultado, Brattain concordou em satisfazer a curiosidade de Shockley e criou uma versão mais complexa do amplificador "grid". Ela também se recusou a trabalhar.

Então a guerra interveio, deixando o novo programa de pesquisa de Kelly em desordem. Kelly liderou o Grupo de Trabalho de Radar da Bell Labs, apoiado pelo principal centro de pesquisa de radar dos EUA no MIT. Brattain não trabalhou muito com ele e depois pesquisou a detecção magnética de submarinos encomendados pela Marinha. Woolridge trabalhou em sistemas de controle de incêndio, Knicks na difusão de gás para o projeto Manhattan, e Shockley entrou em pesquisa operacional e primeiro se engajou na luta contra submarinos no Atlântico e depois em bombardeios estratégicos no Pacífico.

Mas, apesar dessa intervenção, a guerra não interrompeu o desenvolvimento da eletrônica de estado sólido. Pelo contrário, organizou uma infusão maciça de recursos nessa área e levou a uma concentração de pesquisas em dois materiais: germânio e silício.

O que mais ler

Ernest Bruan e Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)

Friedrich Kurylo e Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)

GL Pearson e WH Brattain, “History of Semiconductor Research”, Proceedings of the IRE (December 1955).

Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)