Lendo o meu recente blog @CHM “Quem inventou o diodo? CHM o curador sênior Dag Spicer me indicou um fascinante tratado acadêmico, “Singletons and Multiples in Scientific Discovery”: Um Capítulo na Sociologia da Ciência”, que descreve como as múltiplas descobertas independentes dos fenômenos científicos são a norma e não a exceção. O autor, Robert K. Merton, traça esse entendimento de volta ao filósofo, estadista e cientista Elizabethan Sir Francis Bacon.
Merton também parafraseia a observação de Bacon de que “uma vez seguido o caminho certo, as descobertas em número ilimitado surgirão do crescente estoque de conhecimento”. Este padrão era facilmente aparente na história do diodo. E como este blog descreve, ele foi repetido no desenvolvimento do próximo grande salto em dispositivos semicondutores, o transistor.
Princientes no século passado, os cientistas sabiam como fazer um díodo terminal de dois terminais colocando uma sonda metálica afiada em contato com um cristal semicondutor. Estes díodos de ponto de contacto podiam mudar um sinal oscilante para um sinal estável e encontraram amplo uso como detectores em receptores de rádio de cristal. Na década de 1920 os inventores começaram a investigar o uso de semicondutores para amplificar e comutar sinais.
Amplificadores de semicondutores precursores
Oleg V. Losev (1903 – 1942)
alguns dos primeiros trabalhos sobre amplificadores semicondutores surgiram da Europa de Leste. Em 1922-23, o engenheiro russo Oleg Losev do Laboratório de Rádio Nizhegorod, Leningrado, descobriu que um modo especial de operação em um cristal de zincite de ponto de contato (ZnO) suportava amplificação de sinal até 5 MHz. Embora Losev tenha experimentado o material em circuitos de rádio durante anos, ele morreu no Cerco de Leninegrado de 1942 e foi incapaz de defender o seu lugar na história. Seu trabalho é largamente desconhecido.
Físico austro-húngaro, Julius E. Lilienfeld, mudou-se para os EUA e em 1926 registrou a patente de um “Método e Aparelho para Controle de Correntes Elétricas” no qual ele descreveu um dispositivo amplificador de três eletrodos usando material semicondutor de sulfato de cobre. Lilienfeld é creditado por ter inventado o condensador eletrolítico, mas não há evidências de que ele tenha construído um amplificador de trabalho. Sua patente, entretanto, tinha semelhança suficiente com o transistor de efeito de campo posterior para negar futuros pedidos de patente para aquela estrutura.
Julius E. Lilienfeld (1882 -1963), cortesia da AIP Emilio Segre Visual Archives
Cientistas alemães também contribuíram para esta pesquisa inicial. Enquanto trabalhavam na Universidade de Cambridge, Inglaterra, em 1934, o engenheiro eletricista e inventor alemão Oskar Heil depositou uma patente sobre o controle do fluxo de corrente em um semicondutor via acoplamento capacitivo em um eletrodo – essencialmente um transistor de efeito de campo. E em 1938, Robert Pohl e Rudolf Hilsch fizeram experiências com cristais de brometo de potássio com três eléctrodos na Universidade de Gottingen. Eles relataram amplificação de sinais de baixa frequência (cerca de 1 Hz). Nenhuma dessas pesquisas levou a nenhuma aplicação, mas Heil é lembrado hoje em dia nos círculos audiófilos por seu transformador de movimento de ar usado em alto-falantes de alta fidelidade.
Os primeiros transistores
Por causa de sua baixa confiabilidade e grande consumo de energia, os engenheiros da American Telephone and Telegraph no final dos anos 30 sabiam que os circuitos de tubos de vácuo não iriam atender a demanda da empresa em rápido crescimento por maior capacidade de chamadas telefônicas. O diretor de pesquisa dos Laboratórios Bell Mervin J. Kelly designou William Shockley para investigar a possibilidade de usar a tecnologia de semicondutores para substituir os tubos.
Usando materiais semicondutores melhorados desenvolvidos para detectores de radar durante a guerra, no início de 1945 Shockley experimentou um amplificador de efeito de campo, semelhante em conceito aos patenteados por Heil e Lilienfeld, mas não funcionou como ele pretendia. O físico John Bardeen sugeriu que os elétrons na superfície do semicondutor poderiam estar bloqueando a penetração de campos elétricos no material. Sob a direção de Shockley, juntamente com o físico Walter Brattain, Bardeen começou a pesquisar o comportamento desses “estados de superfície”.”
John Bardeen, William Shockley e Walter Brattain em 1948, cortesia de Bell Telephone Laboratories
Em 16 de dezembro de 1947, suas pesquisas culminaram em um amplificador semicondutor de sucesso. Bardeen e Brattain aplicaram dois contatos de ouro espaçados no lugar por uma cunha plástica na superfície de uma pequena placa de germânio de alta pureza. Em 23 de dezembro eles demonstraram seu dispositivo aos funcionários do laboratório e, em junho de 1948, a Bell Labs anunciou publicamente o revolucionário dispositivo de estado sólido que eles chamaram de “transistor”
No mesmo ano, enquanto examinavam um fenômeno que ele chamou de “interferência”, o físico alemão Herbert Mataré e seu colega Heinrich Welker fabricaram independentemente um amplificador baseado em germânio com dois pontos de contato tocando sua superfície em um laboratório da Westinghouse em Paris, França. Quando souberam do anúncio dos Laboratórios Bell, Mataré e Welker solicitaram patentes do seu próprio dispositivo, que eles chamaram de “transistron”
Improving the Transistor
Conhecendo que a estrutura ponto-contato tinha sérias limitações, e estimulado por ciúmes profissionais por não estar envolvido na sua descoberta, Shockley trabalhou sozinho para conceber um dispositivo mais confiável e reprodutível. Introduzido em 1952, o transistor de junção bipolar de Shockley, que era feito de uma peça sólida de material semicondutor e sem contatos pontuais, dominou a indústria durante os 30 anos seguintes. Todos os três cientistas da Bell Labs receberam o Prêmio Nobel de Física de 1956 por suas contribuições.
Durante a década seguinte muitos métodos diferentes de fabricação foram desenvolvidos para produzir transistores mais rápidos, mais baratos e cada vez mais confiáveis. Um avanço importante em 1954 foi o transístor de silício, primeiro de Morris Tanenbaum na Bell Labs e logo depois por uma equipe liderada pelo químico Willis Adcock na upstart Texas Instruments. No final dos anos 50, o silício tornou-se o material preferido da indústria e a TI o fornecedor dominante de semicondutores.
A equipe de silicon-transistores de 1954 da Texas Instruments: W. Adcock, M. Jones, E. Jackson, e J. Thornhill, Cortesia da Texas Instruments, Inc.
Os fundadores da Fairchild Semiconductor, uma start-up no Vale do Silício da Califórnia, iniciaram sua empresa com a premissa de fazer um transistor de silício ainda melhor. Os seus desafios diários no desenvolvimento de uma nova tecnologia são descritos em detalhe em vários dos Cadernos de Patentes da Fairchild na colecção do Museu, nomeadamente os escritos por Gordon Moore e Sheldon Roberts. Coincidindo com o início da “corrida espacial”, a introdução em 1958 de um transistor de mesa de silício de dupla difusa foi um grande sucesso comercial. Os problemas de confiabilidade que ameaçavam o futuro da empresa foram resolvidos com o processo revolucionário de planar do físico suíço Jean Hoerni. A técnica planar da Hoerni não apenas transformou a fabricação de transistores de uma operação semi-artesanal para uma produção automatizada de alto volume. Ela também permitiu o desenvolvimento do moderno circuito integrado (IC).
O Transistor MOS
Martin M. Atalla (1924 – 2009), Cortesia da Família Atalla
As idéias de Lilienfeld e Heil e Shockley falharam nas primeiras experiências finalmente deram frutos em 1959 quando, trabalhando para o engenheiro egípcio Martin M. (John) Atalla sobre o estudo de superfícies semicondutoras nos Laboratórios Bell, o engenheiro elétrico coreano Dawon Kahng construiu o primeiro transistor de efeito de campo (FET) de sucesso, compreendendo um sanduíche de camadas de metal (M – portão), óxido (O – isolamento) e silício (S – semicondutor). O MOSFET, popularmente abreviado para MOS, prometia um transistor significativamente menor, mais barato e de menor potência.
Dawon Kahng (1931 – 1992), Cortesia NEC Corporation
Fairchild e RCA introduziram transistores MOS comerciais em 1964. Mas na década que levou para resolver os problemas iniciais de fabricação com o processo MOS, os transistores individuais tinham sido substituídos em grande parte por ICs em sistemas de computador. A longo prazo, os transístores MOS provaram ser a abordagem mais prática para a construção de circuitos integrados de alta densidade, tais como microprocessadores e memórias. Perto de 100% dos bilhões de transistores fabricados diariamente são dispositivos MOS.
Como a maioria dos desenvolvimentos tecnológicos, a criação do transistor moderno seguiu o padrão Baconiano de emergir gradualmente do “crescente estoque de conhecimento” construído por um verdadeiro elenco internacional de engenheiros e cientistas, em vez dos esforços solitários de um único “inventor heróico”.”
Conteúdo Adicional
- Retificadores Semicondutores Patenteados como Detectores de “Whisker de Gato”
- Conceitos de Dispositivos Semicondutores de Efeito de Campo Patenteados
- Invenção do Transistor de Ponto de Contato
- Concepção do Transistor de Junção
- Primeiro Crescimento-Junction Transistors Fabricated
- Silicon Transistors Offer Superior Operating Characteristics
- Invention of the “Planar” Manufacturing Process
- Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated