25/10/2012 10h56 - Atualizado em 25/10/2012 10h56

Transistor planar

B. Piropo
por
Para o TechTudo

Terminei a coluna anterior mencionando que o grande passo que permitiu a fabricação em massa de transistores foi o processo de fabricação denominado “Planar”, desenvolvido por Jean Hoerni em 1959. Mas para sabermos em que ele difere dos processos usados até então precisamos ter uma ideia do funcionamento dos transistores e, sobretudo, de como eram eles antes do processo planar.

Transistores são fabricados com materiais semicondutores, elementos como o Germânio (Ge) e Silício (Si) cuja condutividade elétrica se situa entre a dos isolantes e dos condutores. Para que eles sejam usados nos transistores, suas propriedades elétricas devem ser alteradas mediante a adição de quantidades mínimas de impurezas, ou “dopantes”. No caso de substâncias cristalinas, como Si e Ge, os átomos do dopante ocupam o lugar de alguns átomos do elemento original em sua estrutura cristalina, como mostrado na Figura 1 onde se vê, à esquerda, a estrutura do cristal puro e, à direita, a mesma estrutura após a inserção de alguns átomos do dopante.

Figura 1: alteração da estrutura cristalinaFigura 1: alteração da estrutura cristalina (Foto: Reprodução)

Dependendo do elemento usado como dopante a estrutura cristalina resultante de silício ou germânio poderá ser do tipo “N” (de negativo), onde o dopante adiciona elétrons ao cristal fazendo com que ele tenda a expulsar estes elétrons, ou do tipo “P” (de positivo), caso em que o dopante remove elétrons da estrutura cristalina fazendo com que ela atraia elétrons dos materiais com os quais faz contato.

Se juntarmos duas camadas de semicondutores, uma tipo N e outra tipo P, criaremos um diodo, um componente eletrônico peculiar que atua como condutor apenas em um sentido. Por outro lado, se inserirmos uma camada tipo N entre duas camadas tipo P (ou vice versa), criaremos um transistor tipo NPN (ou PNP). Se o transistor estiver devidamente polarizado (ou seja, com seus terminais ligados à terra e ao polo positivo de uma bateria) e aplicarmos uma tensão à camada central, formar-se-á uma corrente da camada tipo N (que contém excesso de elétrons) para a camada tipo P (onde eles faltam). Isto funcionará como “gatilho”, disparando uma corrente de maior intensidade que atravessa o transistor inteiro (uma explicação sucinta, porém aqui é impossível descer a maiores detalhes; no entanto, quem estiver interessado pode assistir o vídeo “How Transistors Work”, bastante esclarecedor e cujas animações podem ser compreendidas mesmo por quem não domina o inglês).

Pois bem, conhecendo a estrutura de um transistor podemos ter uma ideia do aspecto dos primeiros exemplares. Repare na Figura 2 (imagens obtidas no sítio da IBM “Computer History Museum”). Ela mostra o mesmo transistor, aberto (ou seja, com o encapsulamento metálico removido para mostrar seu interior), observado de dois lados opostos.

Figura 2: Transistor tipo Liga MetálicaFigura 2: Transistor tipo Liga Metálica (Foto: Reprodução)

Este antigo tipo de transistor denominava-se transistor de liga metálica (“alloy transistors”). Na figura da esquerda vê-se um fio metálico penetrando em um orifício de uma pequena placa metálica. Embora não se perceba na figura, ele está soldado ao emissor do transistor, um pequeno objeto esférico soldado à base do transistor (já voltaremos a ela). Este emissor é bastante semelhante ao coletor que, este sim, aparece soldado ao outro fio metálico do lado oposto (figura da direita). Estes pequenos objetos esféricos que formam tanto o emissor quanto o coletor são constituídos de germânio tipo N. Na figura da direita se pode perceber um pequeno círculo prateado, de formato semelhante a uma moeda, preso à placa metálica e ao qual está soldado o coletor (e do lado oposto, embora não se veja, o emissor). Trata-se da base do transistor, constituída de germânio tipo P. Reparem que as extremidades opostas dos fios metálicos soldados ao coletor e ao emissor estão conectadas a pinos que atravessam a parte inferior do transistor, da mesma forma que a base está soldada a um terceiro pino. Estes três pinos constituem os terminais externos do transistor: coletor, base e emissor.

O diâmetro externo do transistor mostrado na figura é menor que um centímetro.

Este era o aspecto dos transistores fabricados durante os anos cinquenta do século passado.

Agora, volte a examinar a figura 2 e compare o tamanho total do objeto que contém tudo isto com o tamanho das duas pequenas esferas que formam o coletor e emissor, somada à pequena espessura da base. A conclusão é surpreendente: a parte funcional da coisa, ou seja, o transistor propriamente dito, mede talvez menos de um milímetro!

Foi esta percepção que levou Jean Hoerni a conceber o transistor planar. Por que não criar na própria camada de cristal tipo N um pequeno bloco de cristal tipo P e, dentro deste último, um segundo bloco, menor ainda, de cristal tipo N? Com isto os próprios blocos, convenientemente polarizados, funcionariam como um transistor. A única coisa que faltaria para operacionalizar tudo isto seria ligar os blocos ao circuito elétrico por meio de terminais – e são justamente estes terminais que são vistos em preto acima dos blocos e assinalados com as letras “E”, o emissor, “B”, a base, e “C”, o coletor na Figura 3.

Figura 3: Estrutura de um transistor planarFigura 3: Estrutura de um transistor planar
(Foto: Reprodução)

Repare na figura 3. A parte cinza, externa, é um trecho de uma placa de semicondutor (modernamente usa-se silício em vez de germânio) tipo N. A parte azul, por sua vez, é um pequeno bloco (pequeno mesmo; nos transistores modernos, as dimensões estão na ordem de micra ou nanômetros) de material semicondutor tipo P. E, finalmente, a pequena parte cinza no centro da figura é mais um minúsculo bloco de material tipo N. Em cada uma delas se vê conectado um terminal elétrico que, por sua vez, são conectados aos devidos pontos do circuito eletrônico.

Como se vê, os blocos praticamente se tocam. Isto somente não ocorre – e esta foi a grande contribuição de Hoerni – porque, no delicado processo de fabricação deste tipo de transistor, entre os blocos forma-se uma camada de óxido de silício, finíssima, mas suficiente para proteger e manter a funcionalidade de cada bloco.

Transistores deste tipo chamam-se “planar” porque têm um aspecto de placa e podem ser fabricados sobre superfícies planas de silício usando um processo que adiante discutiremos.

As vantagens disto são evidentes. A primeira é o grau de miniaturização que este tipo de estrutura permite, que depende apenas da evolução da tecnologia de fabricação. A segunda é que, em uma mesma placa de silício, podem ser fabricados dezenas, centenas, milhares de transistores, tantos quantos se queiram (nos microprocessadores modernos o número chega a inacreditável casa dos bilhões).

Estes conjuntos de muitos transistores interligados fabricados na mesma placa de silício são os circuitos integrados.

Que será o assunto da próxima coluna.

PS: Gabriela Neto Lacerda estuda jornalismo. Recebeu como tarefa entrevistar “uma personalidade”. Sabe-se lá por que razão ela achou que eu me enquadrava nesta qualificação e solicitou uma entrevista, que foi publicada em seu blog com o título “De frente com Piropo”. O resultado não foi um trabalho de estudante, foi de profissional competente. Segundo ela, para não quebrar a espontaneidade, decidiu publicar o que eu disse exatamente como dito, sem alterações ou correções dos erros do português falado. Conseguiu com isto uma autenticidade inatingível por outros meios. Ao ler o texto, quem me conhece perceberá o quanto há de verdade nisto. E quem não me conhece passará a conhecer um pouco mais sobre este velhinho simpático (não sou eu quem o diz, é ela) que digita estas mal traçadas. Sugiro que leia a entrevista não por achar que vale a pena me conhecer, mas por ter certeza que vale a pena ler um trabalho bem feito. E, se o fizer, não se esqueça de deixar um comentário no final da entrevista. A moça merece.

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