Transistores — diminutos titãs eletrônicos

RÁDIOS, aparelhos de TV, aparelhos auditivos em miniatura — estes muito devem sua existência àqueles diminutos titãs eletrônicos chamados transistores. O que há por trás destas maravilhas eletrônicas? As idéias têm muito que ver com um ramo da física chamado mecânica quântica, que trata de pequeníssimos objetos tais como os átomos e elétrons.

Exatamente o que fazem os transistores? Quais são suas vantagens? Como são fabricados?

Basicamente, um transistor cumpre as mesmas tarefas que uma válvula a vácuo. Muitas de suas aplicações se centralizam em seu papel de amplificador. Isto é, o transistor fortalece os sinais recebidos, por exemplo, pelas antenas de rádio e de TV.

Este instrumento amplificador pode ser imaginado como se tomássemos pequena quantidade de sinal elétrico de um lado do transistor, o copiássemos e lançássemos grandes quantidades do padrão elétrico do outro lado. O transistor usado como amplificador toma uma imagem elétrica na forma de corrente e emite, talvez, vinte vezes a corrente de entrada que tem o mesmo padrão elétrico.

Vantagens

Talvez alguém pense: Se os transistores fazem basicamente a mesma coisa que as válvulas, por que se incomodar com eles? Porque o transistor tem vantagens sobre seu ancestral, a válvula a vácuo.

Uma primeira vantagem é o diminuto tamanho do transistor. É de tamanho quase cem vezes menor que a válvula a vácuo de função similar; em outras palavras, uma válvula talvez seja tão grande quanto o polegar dum homem, mas o transistor tem cerca do tamanho de uma ervilha. Por causa dos transistores, todos os tipos de aparelhos eletrônicos podem ser miniaturizados.

Outra vantagem destes diminutos titãs eletrônicos é que podem funcionar com muito menos energia que as válvulas. Isto se dá porque os transistores não têm nenhum filamento ou aquecedor. A fim de que uma válvula funcione, tem de ter um aquecedor chamado filamento (como o piloto de um fogão elétrico, apenas sendo muito menor) para “queimar” os elétrons do cátodo ou região que emite elétrons da válvula. O transistor não precisa de tal aquecedor. E, visto que o transistor não produz quase nenhum calor, não fica quente. Toda vez que a válvula fica quente, dispende energia.

Outras vantagens são: o transistor, não precisando de um período de aquecimento como as válvulas, começa a funcionar instantaneamente. O transistor também é mais durável, visto que não tem fios finos suspensos nele, como o faz a válvula. Como resultado, o transistor dispõe de mais fidedignidade. Alguns calcularam que um transistor, operando o dia e a noite inteiros, a cada dia do ano, duraria de oito a dez anos. Realmente, há pouca razão para que estes diminutos titãs eletrônicos se gastem; no entanto, batidas, mudanças de temperatura e a umidade têm efeitos adversos sobre eles.

Por causa de suas muitas vantagens, uma das coisas que os transistores tornaram possíveis é o satélite de comunicações. Em 3 de julho de 1962, o satélite de comunicações Telstar, foi usado para transmitir programas de televisão ao vivo dos EUA para a Europa. O Telstar recebeu sinais de uma estação terrestre nos EUA, amplificou estes sinais e então os retransmitiu, de modo que puderam ser captados por outra estação terrestre distante. Visto que os transistores operam com muito pouca energia, as baterias velares poderiam ser usadas como fonte de energia. O satélite Telstar usa uma válvula a vácuo, 1.064 transistores e outros instrumentos de “solid state”. Os satélites de comunicações lançados desde o Telstar têm todos usados transistores. Mas, de que são feitos os transistores’

Feito de Materiais Semicondutores

Os materiais que conduzem” eletricidade com grande facilidade são chamados condutores. A prata, o alumínio e o cobre, por exemplo, são condutores. Agora, por que será que certo material é bom condutor? É por causa do grande número de elétrons livres no material. Exatamente o que se quer dizer com elétrons “livres”? Bem, os elétrons são livres nestes materiais no sentido de que podem passar facilmente de um átomo, que contém o condutor, para outro.

Em contraste com os materiais que são bons condutores de eletricidade, alguns materiais são chamados de isoladores. Tais materiais não dispõem de elétrons livres. Como resultado, a eletricidade não fluirá facilmente através deles. Compreensivelmente, tais materiais são usados em aparelhos domésticos para impedir o choque elétrico. Assim, temos pinos elétricos cobertos de borracha e tomadas de luz de plástico.

Há ainda uma terceira classe de materiais — um tipo de sólidos conhecidos como semicondutores. Os materiais desta classe não conduzem muito bem a eletricidade e não são bons isolastes tampouco. Por isso, tais materiais são denominados semicondutores. O germânio (descoberto por um químico alemão e assim chamado em honra à Alemanha) e o silício são os materiais semicondutores mais amplamente conhecidos.

Agora, por que será que a terceira classe de materiais não são bons para servir quer como condutores quer como isolastes? A razão de serem condutores apenas medianamente bons é que não possuem elétrons livres. E não são bons isolastes tampouco porque não é preciso de muita energia para produzir elétrons livres. Com efeito, o número de elétrons livres aumenta cerca de um milhão de vezes quando a temperatura é elevada de 17,8°C abaixo de zero para cerca de 176,7°C.

Os transistores começam com material semicondutor cristalino puro, e, porque este material se acha no estado sólido de matéria, em contraste com os estados líquido gasoso, menciona-se os transistores como dispositivos de “solid state”.

Precisam Ser Adicionadas Impurezas

Bastante estranho é que o material semicondutor não pode ser posto a operar muito em seu estado puro; mas, quando se lhe adiciona a quantidade certa de impurezas, pode ser posto a funcionar bastante.

Mas, por que precisam ser apresentadas impurezas? Porque pequeno vestígio de certas impurezas produzem alguns elétrons livres ou a falta de elétrons. Assim, algumas impurezas não produzem elétrons livres, mas, antes, retiram os elétrons de alguns átomos do semicondutor. Qual é o resultado? A ausência dum elétron num átomo. Isto é chamado buraco ou vazio. Agora, a vantagem dum “buraco” é que pode mover-se de um átomo para outro. E o fluxo destes “buracos” que se movem de um átomo para outro, forma uma corrente elétrica. O “buraco” se torna o condutor de eletricidade positiva, que é o contrário do elétron de carga negativa.

O material semicondutor que tem elétrons livres é chamado de Tipo N (por causa da carga negativa). Quando o material tem “buracos” ou déficits de elétrons, é chamado do Tipo P (por causa da carga positiva).

Para ilustrar: Se se dissolver o arsênico em silício ou germanio derretidos muito puros, há ali uma abundância de elétrons que podem quase ser considerados como elétrons livres. O resultado é o material do Tipo N, porque o átomo de arsênico tem cinco elétrons exteriores por átomo, ao passo que o germanio tem apenas quatro, de modo que há uma abundância de elétrons. Tais elétrons são mui facilmente excitados para se tornarem elétrons livres.

Agora, o que dizer se se apresentar boro ou alumínio ao material semi condutor? Bem, estes dois elementos têm apenas três elétrons exteriores. Assim, há uma escassez de elétrons em comparação com o germanio; destarte, existe um “buraco”. O resultado é o material do Tipo P.

Feito de Camadas de Material

O transistor, então, consiste em uma camada de material do Tipo P medido entre dois do Tipo N. Isto é chamado um transistor NPN. Ou o transistor talvez consista numa camada de material do Tipo N entre dois do Tipo P. Isto é chamado um transistor PNP.

As junções destes materiais são onde ocorre a ação amplificadora. Pode-se pensar neles como válvulas que deixam passar livremente ou não a corrente, dependendo do modo em que o potencial elétrico ou voltagem é colocado entre estas duas junções.

Microminiaturização

Muito embora o transistor seja de tamanho pequeno e use pouca energia em comparação com a válvula, novos aperfeiçoamentos têm resultado em ainda menores conjuntos eletrônicos do que é possível até mesmo com transistores. Estes são chamados circuitos integrados ou simplesmente CIs.

Neste novo aperfeiçoamento, os transistores, bem como outros elementos do circuito, são colocados todos juntos numa série de camadas. Estes pequenos conjuntos são circuitos inteiros, ao invés de apenas um só componente (digamos um transistor) de um circuito. Os circuitos integrados permitem a microminiaturização.

Afirma o Anuário Científico Mundial, Science Year (1968): “Os CIs da atualidade têm um décimo de uma polegada de cada lado (cerca de 6 mm) e alguns milésimos de uma polegada de grossura. Semelhante aos transistores, não desperdiçam quase nenhuma energia elétrica como calor, e, assim, precisam relativamente de pouco resfriamento. . . . Um aparelho de televisão feito inteiramente de CIs, exceto o tubo de imagem e o alto-falante, se enquadra numa pequena caixa de fósforos.”

Para ilustrar a diferença entre os circuitos inteiros e os componentes individuais dum circuito, imaginemos uma caixa tão grande quanto um vasilhame de leite de aproximadamente dois litros. Então, um circuito contendo talvez cem partes convencionais poderia ser colocado em tal caixa. Mas, com circuitos integrados, quantas partes poderiam ser colocadas naquele mesmo espaço, cerca de um bilhão.

Assim, os novos aperfeiçoamentos são deveras surpreendentes. O progresso do homem na arte de miniaturização deve muito, deveras, aos transistores, esses diminutos titãs eletrônicos. Todavia, a arte de microminiaturização em si mesma não é nova. O Criador do homem microminiaturizou o cérebro humano. Ele o fez de modo que cerca de cem bilhões de partes pudessem ser utilizadas naquele espaço.