História do Transistor, Parte 3: Reinvenção Múltipla

Por mais de cem anos, um cão analógico balança sua cauda digital. Tentativas de expandir as capacidades de nossos sentidos - visão, audição e até, de certa forma, toque - levaram engenheiros e cientistas a procurar os melhores componentes para telégrafo, telefone, rádio e radar. Por pura sorte, essas pesquisas encontraram uma maneira de criar novos tipos de máquinas digitais. E decidi contar a história dessa constante exaltação , durante a qual os engenheiros de telecomunicações forneciam os materiais de origem para os primeiros computadores digitais, e às vezes até projetavam e criavam esses computadores.

Mas na década de 1960, essa colaboração frutífera chegou ao fim e, com ela, a minha história. Os fabricantes de equipamentos digitais não precisavam mais olhar para o mundo do telégrafo, telefone e rádio em busca de novos switches aprimorados, já que o próprio transistor fornecia uma fonte inesgotável de melhorias. Ano após ano, eles se aprofundavam cada vez mais, sempre encontrando maneiras de aumentar exponencialmente a velocidade e reduzir os custos.

No entanto, nada disso teria acontecido se a invenção do transistor tivesse parado no trabalho de Bardin e Brettein .

Início lento

Não havia entusiasmo ativo na imprensa popular pelo anúncio de Bell da invenção do transistor. Em 1º de julho de 1948, o New York Times levou três parágrafos para esse evento na parte inferior do resumo do Radio News. Além disso, essas notícias apareceram após outras, obviamente consideradas mais importantes: por exemplo, o programa de rádio de uma hora "Waltz Time", que deveria aparecer na NBC. Em retrospectiva, podemos querer rir, ou até repreender autores desconhecidos - como eles não reconheceram o evento que virou o mundo de cabeça para baixo?



Mas uma análise do passado distorce a percepção, amplificando os sinais cujo significado sabemos, embora na época eles estivessem perdidos em um mar de barulho. O transistor de 1948 era muito diferente dos transistores de computadores, em um dos quais você leu este artigo (se não decidiu imprimi-lo). Eles diferiam tanto que, apesar do mesmo nome e da linha contínua de herança que os conecta, deveriam ser considerados espécies diferentes, se não gêneros diferentes. Eles têm diferentes composições, diferentes estruturas, diferentes princípios de funcionamento, sem mencionar a gigantesca diferença de tamanho. Somente graças a constantes invenções repetidas, o estranho dispositivo construído por Bardin e Brettin poderia transformar o mundo e nossas vidas.

De fato, um transistor de germânio com um único ponto de contato não merecia mais atenção do que recebeu. Ele tinha vários defeitos herdados do tubo de elétrons. Ele, é claro, era muito menor que as lâmpadas mais compactas. A ausência de um fio quente significa que ele produz menos calor, consome menos energia, não queima e não requer aquecimento antes do uso.

No entanto, o acúmulo de sujeira na superfície de contato levou a falhas e anulou o potencial para uma vida útil mais longa; ele deu um sinal mais barulhento; trabalhou apenas em baixa potência e em uma faixa de frequência estreita; recusado na presença de calor, frio ou umidade; e não pôde ser produzido uniformemente. Vários transistores criados da mesma maneira pelas mesmas pessoas teriam características elétricas desafiadoramente diferentes. E tudo isso foi acompanhado por um custo oito vezes maior que o de uma lâmpada comum.

Somente em 1952 os laboratórios da Bell (e outros proprietários de patentes) resolveram os problemas de produção o suficiente para que os transistores com um único ponto de contato se tornassem dispositivos práticos, e mesmo assim eles não se espalharam além do mercado de aparelhos auditivos, onde a sensibilidade aos preços era relativamente baixa. e as vantagens em relação à duração da bateria excederam as desvantagens.

No entanto, as primeiras tentativas já haviam começado a transformar o transistor em algo melhor e mais útil. Eles realmente começaram muito antes do momento em que o público soube de sua existência.

A ambição de Shockley

No final de 1947, Bill Shockley, empolgado, embarcou em uma viagem a Chicago. Ele tinha idéias vagas sobre como superar o transistor recentemente inventado por Bardin e Brettein, mas até agora não teve chance de desenvolvê-los. Portanto, em vez de desfrutar de uma pausa entre os estágios de seu trabalho, ele passou o Natal e o Ano Novo no hotel, preenchendo cerca de 20 páginas de um caderno com suas idéias. Entre eles, estava uma proposta para um novo transistor que consistia em um sanduíche de semicondutor - uma fatia de germânio do tipo p entre duas peças do tipo n.

Encorajado pela presença de um ás na manga, Shockley reivindicou Bardin e Bretstein em seu retorno a Murray Hill, exigindo toda a glória pela invenção do transistor. Não foi sua idéia de um efeito de campo que fez Bardin e Brettein se sentarem no laboratório? Por isso, não é necessário transferir todos os direitos a uma patente para ele? No entanto, o truque de Shockley acabou sendo lateral: os advogados de patente de Bell descobriram que um inventor desconhecido, Julius Edgar Lilienfeld , patenteou um amplificador de semicondutores de efeito de campo quase 20 anos antes, em 1930. Lilienfeld, é claro, não percebeu sua ideia, dado o estado de materiais na época, mas o risco de interseção era muito alto - era melhor evitar mencionar completamente o efeito de campo na patente.

Portanto, embora os laboratórios de Bell tenham dado a Shockley uma parcela generosa da fama do inventor, eles mencionaram apenas Bardin e Bretstein na patente. No entanto, você não pode fazer o que fez: as ambições de Shockley destruíram seu relacionamento com dois subordinados. Bardin parou de trabalhar no transistor e concentrou-se na supercondutividade. Ele deixou o laboratório em 1951. Bretstein permaneceu lá, mas recusou-se a trabalhar com Shockley novamente e insistiu em se transferir para outro grupo.

Devido à incapacidade de trabalhar com outras pessoas, Shockley não avançou nos laboratórios, então ele também saiu de lá. Em 1956, ele voltou para casa em Palo Alto para estabelecer sua própria empresa de fabricação de transistores, a Shockley Semiconductor. Antes de partir, ele terminou com sua esposa Gene quando ela estava se recuperando de um câncer uterino e casou-se com Emmy Lenning, com quem ele logo se casou. Mas das duas metades do seu sonho na Califórnia - uma nova empresa e uma nova esposa - apenas uma foi cumprida. Em 1957, seus melhores engenheiros, enfurecidos por seu estilo gerencial e pela direção em que ele liderou a empresa, o deixaram fundar uma nova empresa, a Fairchild Semiconductor.


Shockley em 1956

Então Shockley jogou a casca vazia de sua empresa e conseguiu um emprego no Departamento de Engenharia Elétrica de Stanford. Lá, ele continuou a afastar seus colegas (e seu amigo mais velho, físico Fred Seitz ) das teorias da degeneração racial e da higiene racial , que o interessavam por tópicos impopulares nos Estados Unidos desde a última guerra, especialmente na academia. Ele sentiu prazer em desencadear disputas, inflar a mídia e provocar protestos. Ele morreu em 1989, afastando-se de crianças e colegas e foi visitado apenas por sua segunda esposa, sempre dedicada a ele, Emmy.

Embora suas tentativas patéticas no campo do empreendedorismo tenham fracassado, Shockley deixou cair o grão em solo fértil. A área da baía de São Francisco produziu muitas pequenas empresas de eletrônicos, que foram apimentadas pelo financiamento do governo federal durante a guerra. A Fairchild Semiconductor, uma descendência aleatória da Shockley, gerou dezenas de novas empresas, algumas das quais são conhecidas hoje: Intel e Advanced Micro Devices (AMD). No início dos anos 1970, a área ganhou o apelido zombador do Vale do Silício. Mas espere um minuto - afinal, Bardin e Brettein criaram um transistor de germânio. De onde veio o silício?


Então, em 2009, parecia um lugar abandonado em Mountain View, onde a Shockley Semiconductor estava localizada anteriormente. Hoje o prédio está demolido.

Para Silicon Crossroads

O destino de um novo tipo de transistor, inventado por Shockley em um hotel de Chicago, era muito mais feliz que o de seu inventor. Tudo graças ao desejo de uma pessoa de produzir cristais semicondutores puros únicos. Gordon Thiel, físico químico do Texas que estudou o germânio inútil para seu doutorado, conseguiu um emprego no laboratório de Bell na década de 1930. Aprendendo sobre o transistor, ele estava convencido de que sua confiabilidade e potência podem ser significativamente melhoradas criando-o a partir de um único cristal puro, e não a partir das misturas policristalinas usadas. Shockley rejeitou suas tentativas, considerando-as um desperdício de recursos.

No entanto, Teal persistiu e obteve sucesso, com a ajuda do engenheiro mecânico John Little, criando um aparelho que retira um minúsculo núcleo de cristal do germânio fundido. Resfriando o núcleo, o germânio expandiu sua estrutura cristalina, criando uma rede semicondutora contínua e quase pura. Na primavera de 1949, Thiel e Little podiam criar cristais a pedido, e testes mostraram que eles deixaram para trás seus concorrentes policristalinos. Em particular, portadores menores adicionados a eles poderiam sobreviver dentro de cem microssegundos ou até mais (contra não mais que dez microssegundos em outras amostras de cristal).

Agora, Teal podia pagar mais recursos e recrutou mais pessoas para sua equipe, entre as quais havia outro químico físico que veio ao laboratório de Bell no Texas - Morgan Sparks. Eles começaram a mudar o derretimento para a fabricação de germânio do tipo p ou n, adicionando bolas das impurezas correspondentes. Em um ano, eles aprimoraram a tecnologia a tal ponto que podiam cultivar um sanduíche de germânio npn diretamente no derretimento. E funcionou exatamente como previsto por Shockley: o sinal elétrico do material do tipo p modulava a corrente elétrica entre dois condutores conectados às peças do tipo n que o cercavam.


Morgan Sparks e Gordon Teal em uma bancada nos laboratórios de Bell

Este transistor com uma junção crescida superou seu ancestral com um contato pontual em quase todos os aspectos. Em particular, tornou-se mais confiável e previsível, produziu muito menos ruído (e, portanto, era mais sensível) e extremamente eficiente em termos energéticos - consumindo um milhão de vezes menos energia do que uma lâmpada eletrônica típica. Em julho de 1951, os laboratórios de Bell organizaram outra conferência de imprensa para anunciar uma nova invenção. Mesmo antes de o primeiro transistor ter conseguido entrar no mercado, ele já havia se tornado insignificante.

E, no entanto, este foi apenas o começo. Em 1952, a General Electric (GE) anunciou o desenvolvimento de um novo processo para a criação de transistores com um método de junção e liga. Em sua estrutura, duas bolas de índio (doador do tipo p) foram fundidas em ambos os lados de uma fatia fina de germânio do tipo n. Esse processo foi mais simples e mais barato do que o crescimento das transições na liga, um transistor que proporcionou menos resistência e suportou altas frequências.


Transistores adultos e de liga

No ano seguinte, Gordon Thiel decidiu retornar ao seu estado natal e conseguiu um emprego na Texas Instruments (TI) em Dallas. A empresa foi fundada com o nome Geophysical Services, Inc. e, pela primeira vez, produziu equipamentos para exploração de petróleo, a TI abriu uma divisão de eletrônicos durante a guerra e agora entrou no mercado de transistores sob uma licença da Western Electric (divisão de fabricação da Bell Labs).

Teal trouxe consigo novas habilidades adquiridas em laboratórios: a capacidade de crescer e ligar cristais únicos de silício. A fraqueza mais óbvia da Alemanha era sua sensibilidade à temperatura. Quando expostos ao calor, os átomos de germânio no cristal rapidamente liberavam elétrons livres, e cada vez mais se transformavam em um condutor. A uma temperatura de 77 ° C, ele geralmente parava de funcionar como um transistor. O principal objetivo das vendas de transistores eram as forças armadas - um consumidor em potencial com baixa sensibilidade aos preços e uma enorme necessidade de componentes eletrônicos estáveis, confiáveis ​​e compactos. No entanto, o germânio sensível à temperatura não seria útil em muitos casos de uso militar, especialmente no campo aeroespacial.

O silício era muito mais estável, mas tinha que pagar um ponto de fusão muito maior, comparável ao ponto de fusão do aço. Isso causou grandes dificuldades, já que para criar transistores de alta qualidade, eram necessários cristais muito puros. O silício fundido a quente absorveria impurezas de qualquer cadinho em que estivesse. Teal e a equipe de TI foram capazes de superar essas dificuldades com as amostras de silício ultra-puro da DuPont. Em maio de 1954, em uma conferência no Instituto de Engenharia de Rádio em Dayton, Ohio, Thiel demonstrou que os novos dispositivos de silício fabricados em seu laboratório continuavam funcionando, mesmo quando imersos em óleo quente.

Upstarts bem-sucedidos

Finalmente, cerca de sete anos após a primeira invenção do transistor, ele poderia ser fabricado com material com o qual se tornava sinônimo. E aproximadamente a mesma quantidade de tempo passará antes do aparecimento dos transistores, assemelhando-se aproximadamente à forma que é usada em nossos microprocessadores e chips de memória.

Em 1955, cientistas dos laboratórios de Bell aprenderam com sucesso como fabricar transistores de silício com uma nova tecnologia de liga - em vez de adicionar bolas de impureza sólidas ao derretimento líquido, introduziram aditivos gasosos na superfície sólida do semicondutor ( difusão térmica ). Ao controlar cuidadosamente a temperatura, pressão e duração do procedimento, eles atingiram exatamente a profundidade e o grau de liga exigidos. O fortalecimento do controle sobre o processo de produção deu maior controle sobre as propriedades elétricas do produto final. Mais importante, a difusão térmica tornou possível produzir o produto em lotes - foi possível ligar uma grande placa de silício e depois cortá-la em transistores. Os militares conseguiram financiamento para os laboratórios da Bell, uma vez que a organização da produção exigia altos custos iniciais. Eles precisavam de um novo produto para uma linha de frequência ultra-alta para detecção precoce de radar (“ Linhas de orvalho ”), uma cadeia de estações de radar no Ártico projetadas para detectar bombardeiros soviéticos que voavam do Polo Norte e estavam prontas para pagar US $ 100 por transistor (esses eram os momentos em que o novo um carro pode ser comprado por US $ 2000).

A liga, juntamente com a fotolitografia , que controlava a localização das impurezas, abriu a possibilidade de gravar todo o circuito em um único substrato semicondutor - isso foi concebido simultaneamente pela Fairchild Semiconductor e pela Texas Instruments em 1959. A tecnologia planar Fairchild usava deposição química de filmes metálicos conectando os contatos elétricos de um transistor. Eliminou a necessidade de fiação manual, custos de produção reduzidos e maior confiabilidade.

Finalmente, em 1960, dois engenheiros dos laboratórios da Bell (John Atalla e Devon Kahn) implementaram o conceito original do transistor Shockley de efeito de campo. Uma fina camada de óxido na superfície do semicondutor foi capaz de suprimir efetivamente os estados da superfície, como resultado do qual o campo elétrico do portão de alumínio penetrou no silício. Assim nasceu o MOSFET (transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido de metal) (ou estrutura MOS, de semicondutor de óxido de metal), que se mostrou tão fácil de miniaturizar e ainda é usado em quase todos os computadores modernos (é interessante que Atalla fosse originalmente do Egito e Kang da Coréia do Sul, e quase apenas esses dois engenheiros de toda a nossa história não têm raízes européias).

Finalmente, treze anos após a invenção do primeiro transistor, apareceu algo que parecia o transistor do seu computador. Era mais fácil de produzir, consumia menos energia do que um transistor plano, mas reagia lentamente aos sinais. Somente após a expansão de grandes circuitos integrados com centenas ou milhares de componentes localizados em um único chip é que as vantagens dos transistores de efeito de campo vieram à tona.


Ilustração de uma patente para um transistor de efeito de campo

O efeito de campo foi a última grande contribuição de Bell para o desenvolvimento do transistor. Os principais fabricantes de eletrônicos, como Bella Labs (com a Western Electric), General Electric, Sylvania e Westinghouse, construíram um impressionante corpo de pesquisa em semicondutores. De 1952 a 1965, apenas os laboratórios da Bell registraram mais de duzentas patentes sobre esse assunto. Ainda assim, o mercado comercial rapidamente caiu nas mãos de novos players, como Texas Instruments, Transitron e Fairchild.

O mercado inicial de transistores era pequeno demais para os grandes players prestarem atenção: cerca de US $ 18 milhões por ano em meados da década de 1950, em comparação com um mercado total de eletrônicos de US $ 2 bilhões.No entanto, os laboratórios de pesquisa desses gigantes serviram como campos de treinamento não intencionais, onde , , . Quando o mercado de eletrônicos para tubos começou a encolher seriamente em meados da década de 1960, era tarde demais para os laboratórios Bell, Westinghouse e outros competirem com os novatos.

Transição de computadores para transistores

Na década de 1950, os transistores invadiram o mundo da eletrônica nas quatro áreas mais significativas. Os dois primeiros foram aparelhos auditivos e rádios portáteis, nos quais o baixo consumo de energia e, como resultado, a longa duração da bateria superaram outras considerações. O terceiro era para uso militar. O Exército dos EUA tinha grandes esperanças de transistores como componentes confiáveis ​​e compactos que podem ser usados ​​em qualquer lugar, desde rádio de campo a mísseis balísticos. No entanto, a princípio, seus gastos com transistores eram mais como apostar no futuro da tecnologia do que confirmar seu valor na época. E, finalmente, houve mais cálculos digitais.

No campo dos computadores, as desvantagens dos interruptores nos tubos eletrônicos eram bem conhecidas, e alguns céticos antes da guerra acreditavam que um computador eletrônico não podia ser um dispositivo prático. Quando milhares de lâmpadas foram montadas em um dispositivo, elas consumiram eletricidade, gerando uma quantidade enorme de calor e, em termos de confiabilidade, só se podia confiar no desgaste regular. Portanto, o transistor de baixo consumo, frio e sem rosca se tornou o salvador dos fabricantes de computadores. Suas desvantagens como amplificador (por exemplo, um sinal de saída mais ruidoso) não apresentavam esse problema ao usá-lo como um comutador. O único obstáculo era o custo e, no devido tempo, começaria a despencar.

Todas as primeiras experiências americanas com computadores transistorizados ocorreram no cruzamento do desejo dos militares de explorar o potencial de uma nova tecnologia promissora e o desejo dos engenheiros de mudar para switches aprimorados.

Em 1954, os laboratórios de Bell construíram o TRADIC para a Força Aérea dos EUA para verificar se os transistores permitiriam a instalação de um computador digital a bordo de um bombardeiro, substituindo-o por navegação analógica e ajudando a encontrar alvos. O Lincoln Lab do MIT desenvolveu o computador TX-0 como parte de um extenso projeto de defesa aérea em 1956. A máquina usou outra variante do transistor, uma barreira de superfície, adequada para computação em alta velocidade. A Philco construiu seu computador SOLO sob um contrato com a Marinha (mas realmente - a pedido da NSA), terminando em 1958 (usando outra versão de um transistor de barreira de superfície).

Na Europa Ocidental, não tão dotada de recursos durante a Guerra Fria, a história foi completamente diferente. Máquinas como Manchester Transistor Computer, Harwell CADET(outro nome inspirado no projeto ENIAC e criptografado escrevendo para trás) e o Austrian Mailüfterl eram projetos paralelos que usavam recursos que seus criadores podiam reunir - incluindo transistores com um único ponto de contato da primeira geração.

Há muita controvérsia sobre o título do primeiro computador que usou transistores. Tudo depende, é claro, da escolha das definições corretas de palavras como "primeiro", "transistor" e "computador". De qualquer forma, sabe-se onde a história termina. A comercialização de computadores transistorizados começou quase imediatamente. Ano após ano, computadores pelo mesmo preço se tornaram mais poderosos e computadores com o mesmo poder se tornaram mais baratos, e esse processo parecia tão inexorável que foi elevado ao nível da lei, juntamente com a gravidade e a conservação de energia. Precisamos discutir sobre qual pedra foi a primeira a entrar em colapso?

De onde veio a lei de Moore?

Chegando ao final do histórico do switch, vale a pena fazer a pergunta: o que levou ao surgimento desse colapso? Por que a lei de Moore existe (ou existiu - apostamos outra vez)? Para aviões ou aspiradores de pó, não há lei de Moore, assim como não existe para lâmpadas ou relés eletrônicos.

A resposta consiste em duas partes:

1. Propriedades lógicas do comutador como uma categoria de artefato.
2. A capacidade de usar processos puramente químicos para a fabricação de transistores.

Primeiro, sobre a essência da troca. As propriedades da maioria dos artefatos são necessárias para satisfazer uma ampla gama de limitações físicas inexoráveis. As aeronaves de passageiros devem suportar o peso total de muitas pessoas. Um aspirador de pó deve poder aspirar uma certa quantidade de sujeira em um determinado período de tempo a partir de uma determinada área física. Aeronaves e aspiradores de pó serão inúteis se reduzidos a nanoescala.

O interruptor, um interruptor automático que nunca foi tocado por uma mão humana, tem muito menos limitações físicas. Ele deve ter dois estados diferentes e deve poder informar outras opções semelhantes de uma mudança em seus estados. Ou seja, tudo o que ele deve poder fazer é ligar e desligar. O que há de tão especial nos transistores? Por que outros tipos de comutadores digitais não experimentaram melhorias tão exponenciais?

Aqui chegamos ao segundo fato. Os transistores podem ser fabricados usando processos químicos sem intervenção mecânica. Desde o início, o uso de impurezas químicas tem sido um elemento-chave na fabricação de transistores. Então apareceu um processo planar que eliminou a última etapa mecânica da produção - a conexão dos fios. Como resultado, ele se livrou da última restrição física à miniaturização. Os transistores não precisavam mais ser grandes o suficiente para os dedos de uma pessoa - ou para qualquer dispositivo mecânico. Tudo foi feito por uma química simples, em uma escala inimaginavelmente pequena: ácido para gravação, luz para controlar quais partes da superfície resistiriam à gravação e vapores para introduzir impurezas e filmes de metal nos caminhos gravados.

E por que você precisa de miniaturização? A redução no tamanho deu uma galáxia inteira de efeitos colaterais agradáveis: um aumento na velocidade de troca, uma diminuição no consumo de energia e o custo de cópias individuais. Esses incentivos poderosos levaram todos a procurar maneiras de reduzir ainda mais as opções. E a indústria de semicondutores, ao longo da vida de uma única pessoa, deixou de fabricar comutadores do tamanho de um prego para embalar dezenas de milhões de comutadores por milímetro quadrado. De uma solicitação de oito dólares por switch a uma oferta de vinte milhões de switches por dólar.


Chip de memória Intel 1103 de 1971. Transistores individuais, medindo apenas dezenas de micrômetros de tamanho, já são indistinguíveis a olho nu. E desde então eles diminuíram mil vezes.

O que mais se pode ler:

• Ernest Bruan e Stuart MacDonald, Revolução em Miniatura (1978)
• Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
• Joel Shurkin, Gênio Quebrado (1997)