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A jornada para os interruptores sólidos foi longa e complexa. Começou com a descoberta de que certos materiais se comportam estranhamente na presença de eletricidade – de uma forma diferente do que as teorias existentes previam. Seguiu-se uma história sobre como, no século XX, a tecnologia se tornou uma disciplina cada vez mais científica e institucional. Amadores, iniciantes e inventores profissionais, praticamente sem formação científica, fizeram contribuições significativas para o desenvolvimento do telégrafo, da telefonia e do rádio. Mas, como veremos, quase todos os avanços na história da eletrônica sólida ocorreram graças a cientistas que estudaram em universidades (geralmente com doutorado em física) e que trabalharam em universidades ou laboratórios de pesquisa corporativos.
Qualquer pessoa com acesso a uma oficina e habilidades básicas com materiais pode montar um relé de fios, metal e madeira. A criação de válvulas eletrônicas requer ferramentas mais especializadas, capazes de criar um bulbo de vidro e retirar o ar dele. Já os dispositivos sólidos mergulharam em um buraco de coelho, de onde o interruptor digital nunca retornou, afundando cada vez mais em mundos compreensíveis apenas pela matemática abstrata e acessíveis apenas com equipamentos exorbitantes.
Galenite
Em 1874 , físico de 24 anos da Escola de São Tomás 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 prestigiada publicação dedicada às ciências físicas. Apesar do título enfadonho, o trabalho de Braun descreveu alguns resultados experimentais surpreendentes e enigmáticos.
Ferdinand Braun
Braun ficou intrigado com os sulfetos – cristais minerais compostos de compostos de enxofre com metais – devido aos trabalhos de . 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 metálicos. Hittorf elaborou um minucioso relatório quantitativo sobre as medições desse efeito na década de 1850, tanto para sulfetos de prata quanto de cobre. Agora Brown, utilizando uma engenhosa instalação experimental que pressionava um fio metálico contra um cristal de sulfeto com uma mola para garantir um bom contato, descobriu algo ainda mais estranho. A condutividade dos cristais dependia da direção — por exemplo, a corrente podia fluir bem em uma direção, mas ao inverter a polaridade da bateria, a corrente poderia despencar de repente. Os cristais em uma direção se comportavam mais como condutores (como metais normais), enquanto na outra direção se comportavam mais como isolantes (como vidro ou borracha). Essa propriedade ficou conhecida como retificação, devido à sua capacidade de retificar a corrente alternada “ondulada”, transformando-a em corrente contínua “plana”.
Mais ou menos na mesma época, os pesquisadores descobriram outras propriedades estranhas de materiais como, por exemplo, o selênio, que poderia ser extraído de alguns minérios de sulfeto de metais. Sob a influência da luz, o selênio aumentava sua condutividade e até começava a gerar eletricidade, além de poder ser utilizado para retificação. Havia alguma relação entre os cristais de sulfetos? Sem modelos teóricos capazes de explicar o que estava acontecendo, reinava a confusão nesta área.
No entanto, a falta de teoria não impediu as tentativas de aplicação prática dos resultados. No final da década de 1890, Brown tornou-se professor da Universidade de Estrasburgo — recentemente anexada à França durante a e renomeada para Universidade do Kaiser Wilhelm. Lá, ele foi absorvido por um emocionante novo mundo da radiotelegrafia. Ele aceitou a proposta de um grupo de empresários para criar em conjunto um sistema de comunicação sem fio baseado na transmissão de ondas de rádio através da água. No entanto, ele e seus parceiros rapidamente abandonaram a ideia inicial em favor da transmissão aérea de sinais, que foi utilizada por Marconi e outros.
Entre os aspectos do rádio que o grupo de Brown buscava melhorar, estava o receptor que era padrão na época, . Ele se baseava no fato de que as ondas de rádio faziam com que lascas de metal se acumulassem em um aglomerado, permitindo que a corrente da bateria fluísse para o dispositivo sinalizador. Isso funcionou, mas o sistema respondia apenas a sinais relativamente fortes, e para quebrar o aglomerado de lascas era necessário bater constantemente no dispositivo. Brown se lembrou de seus antigos experimentos com cristais de sulfeto e, em 1899, recriou sua velha instalação experimental com um novo objetivo - servir como detector de sinais sem fio. Ele usou o efeito de retificação para converter uma pequena corrente oscilante gerada pelas ondas de rádio que passavam em uma corrente contínua, que poderia alimentar um pequeno alto-falante, emitindo estalos audíveis para cada ponto ou traço. Esse dispositivo ficou conhecido comodevido à aparência do fio que tocava facilmente a parte superior do cristal. Na Índia Britânica (onde hoje se encontra o Bangladeche), o cientista e inventor Jagadish Bose construiu um dispositivo semelhante, possivelmente até em 1894. Outros logo começaram a fabricar detectores semelhantes com base em silício e carborundo (carbeto de silício).
No entanto, foi o , sulfeto de chumbo, que era fundido para obter chumbo desde os tempos antigos, que se tornou o material preferido para detectores de cristal. Eles eram fáceis de fabricar e baratos, e por isso se tornaram extremamente populares entre a primeira geração de radioamadores. Além disso, ao contrário do coherer binário (com lascas que podiam ou não se aglomerar), o retificador de cristal podia reproduzir um sinal contínuo. Portanto, ele podia emitir transmissões audíveis de voz e música, e não apenas o código Morse com seus pontos e traços.
O detector 'bigode de gato' baseado em galena. O pequeno pedaço de fio à esquerda é o bigode, e a peça de material prateado na parte inferior é o cristal de galena.
No entanto, como logo descobriram os desapontados radioamadores, encontrar o ponto mágico na superfície do cristal, que proporcionasse uma boa retificação, poderia levar minutos ou até horas. E os sinais sem amplificação eram fracos e apresentavam um som metálico. Na década de 1920, receptores com lampadas eletrônicas e amplificadores triódicos praticamente eliminaram os detectores de cristal de uso quase geral. Sua única característica atrativa permanecia sendo o baixo custo.
Essa breve incursão no campo dos receptores de rádio parecia ser o limite da aplicação prática das estranhas propriedades elétricas do material descobertas por Braun e outros.
Óxido de cobre
Então, na década de 1920, outro físico chamado Lars Grondahl fez algo estranho com seu equipamento experimental. Grondahl, o primeiro de uma linha de homens inteligentes e inquietos da história do Oeste americano, era filho de um engenheiro civil. Seu pai, imigrante da Noruega em 1880, trabalhou por várias décadas nas ferrovias da Califórnia, Oregon e Washington. Inicialmente, Grondahl parecia ter decidido deixar o mundo da engenharia de seu pai para trás e foi para a Universidade Johns Hopkins para se doutorar em física, buscando um caminho acadêmico. Mas então, ele também se envolveu no setor ferroviário e assumiu uma posição como diretor de pesquisa da Union Switch and Signal, uma divisão do gigante industrial , que fornecia equipamentos para a indústria ferroviária.
Em várias fontes, há razões contraditórias que motivaram Grondahl em suas pesquisas, mas, de qualquer forma, ele começou a experimentar com discos de cobre aquecidos de um lado para criar uma camada oxidada. Enquanto trabalhava com eles, ele notou a assimetria da corrente – a resistência em uma direção era três vezes maior do que na outra. O disco de cobre e óxido de cobre retificava a corrente, assim como um cristal de sulfeto.
Esquema de retificador de óxido de cobre
Nos seis anos seguintes, Grondal desenvolveu um retificador comercial pronto para uso com base nesse fenômeno, contando com a ajuda de outro pesquisador dos EUA, Paul Geiger, e depois solicitou uma patente, anunciando sua descoberta na Sociedade Americana de Física em 1926. O dispositivo rapidamente se tornou um sucesso comercial. Devido à ausência de filamentos frágeis, era muito mais confiável do que o retificador baseado em válvulas de Fleming e era barato de produzir. Ao contrário dos retificadores de cristais de Braun, funcionava na primeira tentativa, e devido à maior área de contato entre metal e óxido, operava em uma ampla gama de correntes e tensões. Podia carregar baterias, detectar sinais em vários sistemas elétricos e funcionar como um shunt de segurança em geradores potentes. Quando utilizado como um fotodetector, os discos podiam atuar como medidores de luz, sendo especialmente úteis em fotografia. Outros pesquisadores aproximadamente na mesma época desenvolveram retificadores de selênio, que encontraram aplicações semelhantes.
Pacote de retificadores baseados em óxido de cobre. Um conjunto de vários discos aumentava a resistência reversa, permitindo que fossem usados com alta tensão.
Após alguns anos, dois físicos dos Laboratórios Bell, Joseph Becker e , decidiram estudar o princípio de funcionamento do retificador de cobre – estavam interessados em entender como ele funcionava e como poderia ser utilizado na empresa Bell System.
Brattain na velhice – c. 1950
Brattain era da mesma região que Grondal, do Noroeste do Pacífico, onde cresceu em uma fazenda localizada a algumas milhas da fronteira canadense. Nos anos finais do ensino médio, começou a se interessar por física, demonstrando talentos nessa área, e acabou obtendo um doutorado na Universidade de Minnesota no final da década de 1920, ingressando nos Laboratórios Bell em 1929. Entre outras coisas, na universidade estudou a nova física teórica que estava ganhando popularidade na Europa e conhecida como mecânica quântica (seu orientador foi , que também foi mentor de John Atanasoff).
Revolução Quântica
Uma nova plataforma teórica se desenvolveu lentamente nas últimas três décadas e, em seu tempo, poderá explicar todos os fenômenos estranhos observados por muitos anos em materiais como galena, selênio e óxido de cobre. Uma verdadeira coorte de físicos, predominantemente jovens, principalmente da Alemanha e países vizinhos, provocou uma reviravolta quântica na física. Onde quer que olhassem, descobriam não um mundo suave e contínuo, como lhes ensinaram, mas estranhas partículas discretas.
Tudo começou na década de 1890. Max Planck, um dos professores mais renomados da Universidade de Berlim, decidiu trabalhar em um famoso problema não resolvido: como é que "" (uma substância ideal que absorve toda a energia e não reflete nenhuma) emite radiação no espectro eletromagnético? Várias modelos foram testados, nenhum dos quais coincidia com os resultados experimentais – eles falhavam em uma extremidade ou na outra do espectro. Planck descobriu que, se assumisse que a energia é emitida pelo corpo em pequenos "pacotes" de tamanho discreto, poderia escrever uma simples lei de relação entre frequência e energia que se ajustava perfeitamente aos resultados empíricos.
Logo depois disso, Einstein descobriu que o mesmo se aplicava à absorção da luz (a primeira pista sobre os fótons), e J.J. Thomson mostrou que a eletricidade também é transportada não por um líquido contínuo ou uma onda, mas por partículas discretas – elétrons. Então, Niels Bohr criou um modelo que explicava como átomos excitados emitem radiação, atribuindo aos elétrons órbitas individuais no átomo, cada uma com sua própria energia. No entanto, esse nome é enganoso, pois eles não se comportam de forma alguma como órbitas planetárias – no modelo de Bohr, os elétrons transitavam instantaneamente de uma órbita, ou nível de energia, para outro, sem passar por um estado intermediário. Finalmente, na década de 1920, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born e outros criaram uma plataforma matemática generalizada, conhecida como mecânica quântica, que incorporou todos os modelos quânticos especiais desenvolvidos nos vinte anos anteriores.
Até esse momento, os físicos já tinham certeza de que materiais como selênio e galena, que demonstram propriedades fotovoltaicas e retificadoras, pertencem a uma classe separada de materiais que eles chamaram de semicondutores. A classificação levou tempo por várias razões. Primeiro, as categorias de 'condutores' e 'isolantes' eram bastante amplas. Os chamados 'condutores' variavam enormemente em sua condutividade, e algo semelhante (em menor grau) também se aplicava aos isolantes, não sendo óbvio como um determinado condutor poderia ser classificado em uma dessas categorias. Além disso, até a metade do século XX, era impossível obter ou criar substâncias muito puras, e quaisquer anomalias na condutividade de materiais naturais sempre poderiam ser atribuídas à contaminação.
Agora, os físicos tinham tanto ferramentas matemáticas da mecânica quântica quanto uma nova classe de materiais à qual poderiam aplicá-las. O teórico britânico foi o primeiro a reunir tudo isso e a criar um modelo geral de semicondutores e seu funcionamento em 1931.
Inicialmente, Wilson afirmava que os materiais condutores diferiam dos dielétricos pelo estado das bandas de energia. A mecânica quântica afirma que os elétrons podem existir em um número limitado de níveis de energia inerentes aos subníveis, ou orbitais, de átomos individuais. Se compactarmos esses átomos em uma estrutura de determinado material, é mais preciso imaginar bandas de energia contínuas que atravessam este material. Nos condutores, nas bandas de energia mais elevadas, há locais vagos, e o campo elétrico pode mover elétrons livremente para lá. Nos isolantes, as bandas estão preenchidas, e alcançar uma banda de energia mais alta, onde a eletricidade pode fluir mais facilmente, é uma tarefa bastante difícil.
Isso o levou à conclusão de que impurezas – átomos estranhos na estrutura do material – devem contribuir para suas propriedades semicondutoras. Elas podem fornecer elétrons em excesso, que facilmente entram na zona de condução, ou buracos – a ausência de elétrons em comparação com o restante do material – criando espaços energéticos vazios onde os elétrons livres podem se mover. O primeiro é mais tarde chamado de semicondutores do tipo n (ou eletrônicos) – devido à carga negativa em excesso, e os segundos – do tipo p, ou com buracos – por conta da carga positiva em excesso.
Finalmente, Wilson sugeriu que a retificação da corrente pelos semicondutores poderia ser explicada em termos do que é conhecido como , um salto súbito de elétrons através de uma fina barreira elétrica no material. A teoria parecia plausível, no entanto, previa que a corrente no retificador deveria fluir do óxido para o cobre, quando na realidade era o contrário.
Assim, apesar de todos os avanços de Wilson, os semicondutores continuavam a ser complexos para explicar. À medida que se tornava cada vez mais claro, mudanças microscópicas na estrutura cristalina e na concentração de impurezas afetavam desproporcionalmente seu comportamento elétrico macroscópico. Ignorando a falta de compreensão – já que ninguém conseguiu explicar as observações experimentais feitas por Brown 60 anos antes – Brattain e Becker desenvolveram um processo de produção eficaz de retificadores de óxido de cobre para seu empregador. O Bell System rapidamente começou a substituir os retificadores com válvulas eletrônicas em todo o sistema por um novo dispositivo que seus engenheiros chamaram de , uma vez que sua resistência mudava conforme a direção.
Medalha de Ouro
Merwin Kelly, físico e ex-chefe do departamento de lâmpadas eletrônicas dos Laboratórios Bell, ficou muito interessado neste avanço. Durante algumas décadas, as lâmpadas eletrônicas foram de um valor inestimável para a Bell, desempenhando funções que estavam além das capacidades da geração anterior de componentes mecânicos e eletromecânicos. No entanto, elas aqueciam muito, frequentemente superaqueceram, consumiam muita energia e eram difíceis de manter. Kelly planejava reconstruir o sistema da Bell com base em componentes eletrônicos sólidos mais confiáveis e duráveis, como o varistor, que não exigia nenhuma embalagem hermética, preenchida com gás ou vazia, nem filamentos aquecidos. Em 1936, ele tornou-se chefe do departamento de pesquisa dos Laboratórios Bell e começou a redirecionar a organização para um novo caminho.
Após obter o retificador sólido, o próximo passo óbvio era criar um amplificador sólido. Naturalmente, assim como o amplificador a válvula, tal dispositivo poderia funcionar também como um interruptor digital. Isso interessava especialmente à empresa Bell, uma vez que ainda havia uma quantidade enorme de interruptores digitais eletromecânicos nos centrais telefônicas. A companhia procurava uma substituição mais confiável, compacta, energeticamente eficiente e fria à lâmpada eletrônica em sistemas telefônicos, rádios, radares e outros equipamentos analógicos, onde eram utilizados para amplificar sinais fracos a níveis audíveis para o ouvido humano.
Em 1936, os Laboratórios Bell finalmente suspenderam a proibição de contratação de pessoal, que havia sido imposta durante a . Kelly imediatamente começou a contratar especialistas em mecânica quântica para ajudar a iniciar seu programa de pesquisa em dispositivos sólidos, dentre os quais estava , outro oriundo da costa oeste, de Palo Alto (Califórnia). O tema de sua dissertação recém-defendida no MIT se adequava perfeitamente às necessidades de Kelly: "Zonas eletrônicas no cloreto de sódio".
Brattain e Becker continuaram suas pesquisas sobre o retificador de óxido de cobre, buscando desenvolver um amplificador sólido melhorado. A maneira mais óbvia de fabricá-lo era seguir a analogia com a válvula eletrônica. Assim como Lee de Forest colocou a grade elétrica Enquanto isso, outros desenvolvimentos mostraram que os Laboratórios Bell não eram a única empresa interessada na eletrônica sólida. Em 1938, Rudolf Hilf e Robert Paul publicaram os resultados de experimentos conduzidos na Universidade de Göttingen sobre um amplificador sólido funcionando, criado através da inserção de uma grade em um cristal de brometo de potássio. Este dispositivo laboratorial não tinha valor prático – principalmente porque operava em uma frequência não superior a 1 Hz. E mesmo assim, essa conquista não deixou de alegrar todos os interessados na eletrônica sólida. Nesse mesmo ano, Kelly designou Shockley para um novo grupo independente de pesquisa de dispositivos sólidos e lhe deu, junto com seus colegas – Foster Nichols e Dean Woolridge – carta branca para explorar suas possibilidades.
Pelo menos mais dois inventores conseguiram criar amplificadores sólidos antes da Segunda Guerra Mundial. Em 1922, o físico e inventor soviético
Oleg Vladimirovich Lossiev publicou os resultados de experimentos bem-sucedidos com semicondutores de zinco, mas seus trabalhos passaram despercebidos pela comunidade ocidental; em 1926, o inventor americano Julius Lilienfeld solicitou uma patente para um amplificador sólido, mas não há evidências do funcionamento de sua invenção.
A primeira grande revelação de Shockley em sua nova posição ocorreu durante a leitura do trabalho do físico britânico Neville Mott, "Teoria dos Retificadores Cristalinos", de 1938, onde finalmente se explicava o princípio de funcionamento do retificador Grondahl no óxido de cobre. Mott utilizou a matemática da mecânica quântica para descrever a formação do campo elétrico na interface entre o metal condutor e o óxido semicondutor, e como os elétrons "saltam" através dessa barreira elétrica, em vez de tunelarem, como sugeriu Wilson. A corrente flui mais facilmente do metal para o semicondutor do que o contrário, pois o metal possui muito mais elétrons livres.
Isso levou Shockley a uma ideia exatamente como a que Brattain e Becker consideraram e rejeitaram muitos anos antes – fabricar 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 passava pela grade aumentasse a barreira limitando a corrente que ia do cobre para o óxido, criando uma versão invertida e amplificada do sinal na grade. Sua primeira tentativa rudimentar falhou completamente, então ele recorreu a alguém com habilidades de laboratório mais refinadas e bem conhecido pelos retificadores – Walter Brattain. E, embora não tivesse dúvidas sobre o resultado, Brattain concordou em satisfazer a curiosidade de Shockley e criou uma versão mais sofisticada do amplificador "gradeado". Ela também se recusou a funcionar.
Em seguida, a guerra interferiu, deixando o novo programa de pesquisa de Kelly em desordem. Kelly assumiu a liderança de um grupo de trabalho em radar nos Laboratórios Bell, que operava com o apoio do principal centro de pesquisa em radar dos EUA no MIT. Brattain trabalhou por pouco tempo com ele, e depois passou a pesquisar a detecção magnética de submarinos a pedido da marinha. Wooldridge trabalhava em sistemas de controle de fogo, Nix – na difusão de gases para o Projeto Manhattan, e Shockley se afastou para pesquisas operacionais, inicialmente envolvendo a luta contra submarinos no Atlântico e depois bombardeios estratégicos no Pacífico.
No entanto, apesar dessa intervenção, a guerra não impediu o desenvolvimento da eletrônica de estado sólido. Pelo contrário, ela organizou um grande influxo de recursos nessa área e levou à concentração de pesquisas em dois materiais: germânio e silício.
O que mais ler
Ernest Bruan e Stuart MacDonald, Revolução em Miniatura (1978)
Friedrich Kurylo e Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson e W. H. Brattain, “História da Pesquisa em Semicondutores,” Proceedings of the IRE (dezembro de 1955).
Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Fonte: habr.com
