PEQUENA HISTÓRIA DA ELECTRÓNICA
Não se vai
iniciar o estudo referente aos princípios e à tecnologia dos componentes
semicondutores (Díodos, Transístores, etc.) sem se falar um pouco da história da Electrónica anterior e posterior à descoberta
desses componentes. Embora esta seja entre todas
as ciências aplicadas uma das mais novas (juntamente com a ciência nuclear)
as suas aplicações já não têm conta, a tal ponto que o funcionamento de grande parte dos aparelhos e dispositivos com que
quotidianamente trabalhamos assenta na Electrónica.
As primeiras bases da Electrónica foram desenvolvidas
pelo grande físico e matemático que foi Maxwell, na segunda metade do século passado, com as
famosas equações do campo Electromagnético.
No seu trabalho fundamental
(uma teoria dinâmica do
Campo Electro-magnético — 1856), este
extraordinário
cientista previu que, se se pudessem gerar ondas eléctricas, estas se propagariam à velocidade
da luz. No entanto, só passados cerca
de 30 anos (1888)
após a formulação destas leis se passaria
da teoria à prática, quando Heinrich Hertz, ao realizar o seu oscilador, produziu pela primeira vez as
ondas electromagnéticas que, desde então, têm o seu nome. Estas ondas foram produzidas
por intermédio de uma descarga eléctrica entre
dois pontos metálicos, tendo
Hertz detectado-as à
distância e provado que elas tinham as mesmas propriedades da luz, saindo daqui a hipótese, também prevista por Maxwell, de que a luz seria mesmo uma radiação Electromagnética. Estava assim aberto o caminho para a realização da comunicação sem fios
de mensagens, também designada
por Telegrafia sem fios ou Rádio-comunicação, que seria rapidamente desenvolvida nos anos seguintes.
No início deste século, Giugliemo Marconi demonstrou que se podia enviar informações e mensagens a grandes distâncias, por meio de ondas Hertzianas, ao transmitir e captar sinais radiotelegráficos através do oceano
Atlântico. Na mesma época, Alexandre Popov construía a primeira antena
radioeléctrica. A era da Rádio nascera. Todavia, a
sua enorme expansão só foi possível com a
invenção e aperfeiçoamento das primeiras válvulas
electrónicas.
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Fig. 5 — As válvulas
electrónicas ou Tubos de Vácuo. I) Díodo II) Tríodo III) Pêntodo IV) Tétrodo
Aspecto Norma Americana de Encapsulamento. | |
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Em 1904, Sir
John Fleming inventa
a primeira válvula electrónica (lâmpada de dois eléctrodos), baseando-se numa antiga
descoberta de Edison, na qual pode
estabelecer uma corrente eléctrica através do vácuo quando um dos eléctrodos estava incandescente. O Tríodo aparece em 1907, quando Lee de Forest adicionou
à válvula de Fleming uma grelha. Este componente foi fundamental
para o desenvolvimento da Rádio, que
acabava de fazer tímidos progressos sob o impulso de Marconi; com
ele, não só foi possível a construção de
osciladores de alta frequência aptos a
fornecerem oscilações estáveis em amplitude e frequência, como ainda
podia ser utilizada como amplificador electrónico. Como é natural, não demorou muito
tempo para que novas versões desta válvula fossem desenvolvidas e aperfeiçoadas, sendo aplicadas
exclusivamente na Rádio. A
radiodifusão de programas sonoros começou nos E. U. A. em 1920 e na Inglaterra em 1922 (B. B. O). Isto é o início para o
desenvolvimento de uma nova indústria: A dos
componentes
electrónicos utilizados nos emissores e receptores de Rádio. Outros campos para
a aplicação desta nova tecnologia foram surgindo, como a radiotelegrafia, a radiotelefonia, a
radio-telefotografia, o cinema
sonoro, a televisão, etc.
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Fig. 6 — Comparação das dimensões de uma válvula electrónica
produzida nos anos vinte com outra fabricada
na década de quarenta.
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| Valvula Miniaturizada (5726 duplo-Diodo) |
Durante
as décadas de 20, 30 e 40, novos processos de fabrico produzem válvulas cada vez mais complexas e sofisticadas:
Numa mesma ampola de vidro aplicam-se vários Díodos e Tríodos; aparecem os Pêntodos e os Tétrodos; constroem-se tubos para micro-ondas, como os magnetrões e os klistrões; os primeiros tubos de raios catódicos são também desenvolvidos nesta época. A miniaturização era já um objectivo constante e uma válvula
produzida no final da década de 40 é
bastante
mais pequena e compacta quando comparada com
uma construída no princípio dos anos 20. Apesar disso, a indústria electrónica da época era
tremendamente limitada, tanto nos meios
como nas aplicações, quando comparada com a sua actual dimensão a nível mundial.
Por
outro lado, a tecnologia das válvulas ou tubos de vácuo limitava imenso a miniaturização dos
sistemas e dispositivos electrónicos,
apesar dos esforços desenvolvidos
nesse sentido. Os principais pontos fracos eram as dificuldades de transporte e manuseamento de qualquer aparelho a válvulas e o
elevado consumo de energia requerido. Portanto, era natural que ansiosamente
se procurassem novos componentes que produzissem os mesmos
efeitos para um consumo e dimensão menores.
A II Guerra
Mundial vai impor um rápido e
significativo desenvolvimento nas indústrias electrónicas das potências
beligerantes. Nunca até então fora necessário conceber e produzir tantos receptores e transmissores de Rádio e desenvolver tantos sistemas automáticos de
controlo. A necessidade de transportar esta aparelhagem nos aviões, nos transportes terrestres e nos submarinos levou a
miniaturização a um nível jamais atingido. O Radar, os primeiros Computadores e os mísseis teleguiados fazem a sua aparição, dando
seguros indícios de que o campo das aplicações electrónicas é vastíssimo. É neste contexto que se irá promover a
descoberta e o aperfeiçoamento do Transístor, em 1947, por três físicos norte-americanos da "Bell Telephone
Laboratories".
O
APARECIMENTO DO TRANSÍSTOR
O desejo dos físicos e dos electrotécnicos de
descobrir um elemento amplificador utilizando a matéria e ca-paz de realizar as mesmas funções de uma válvula electrónica data de
há muito tempo. Várias tentativas
de rea-lização (como Lilienfíeld, em 1925, e Hilsch e Pohl, em 1938) fracassaram porque os investigadores tentavam imitar o funcionamento de uma válvu-la, isto é, comandar uma corrente de electrões por um processo electroestático.
Contudo, o segredo encontrava-se num grupo
de materiais designados como
Semicondutores.
Já no fim do século passado, vários cientistas
se dedicaram ao estudo das propriedades fotovoltaicas e rectificadoras de certos elementos, como o Selénio, e de compostos, como os Sulfuretos de Prata e de Zinco. Em 1874, o professor
Braunn, da Universidade de Magdeburgo,
estabeleceu as propriedades rectificadoras do Sulfureto de Chumbo (também conhecido por Galena). É deste composto que se fizeram os primeiros
detectores de sinais de radiofrequência,
obviamente designados por Detectores de Galena. Todavia, a fiabilidade e a estabilidade de recepção destes
aparelhos deixava muito a desejar e, devido a isso, com as descobertas do Díodo de Fleming
e do Tríodo de Forest atrás
mencionadas, as pesquisas neste campo foram abandonadas,
visto que estes compo-nentes eram muito mais fiáveis.
Só na década de 30 se
voltou a estu-dar seriamente os fenómenos daquilo
a que se convencionou chamar Elec-trónica no
Estado Sólido. Entre as empresas que mais investiram nessa pesquisa,
destaca-se a Bell Telephones Company que, desde 1936, procurou substituir os
seus sistemas electromecânicos de
comutação telefónica por comutadores electrónicos que não fossem baseados em
tubos de vácuo. Para isso, constituiu-se uma equipa de cientistas liderada por William Shock-ley, John Bardeen e Walter Brattain que desenvolveram, durante cerca de 10 anos, uma
aturada investigação sobre as propriedades do Óxido de Cobre e dos Semicondutores (Germânio e Silício) como
elementos capazes para fabricar um amplificador sem recorrer às válvulas
electrónicas. Por outro la-do, desde 1942 que nos E. U. A. se tinham
empreendido estudos para a realização de Díodos de Germânio e de Silício que tivessem uma grande resistência às sobretensões, necessárias para os detectores de Radar. Por conseguinte,
recolhendo estes e outros dados de experiências com
semicondutores desenvolvidas nos principais centros
científicos de todo o mundo, aquela equipa, após uma interrupção de 6 anos provocada pela Guerra Mundial, retoma os seus trabalhos
e, em 23 de Dezembro de 1947, atinge o
seu objectivo: A construção do
primeiro amplificador electrónico
utilizando semicondutores, baseado nas propriedades
das superfícies de Germânio. Chamaram-lhe Transistor, no-me que provém do facto daquele amplificador fornecer o seu ganho através de uma característica de transresistência (a palavra Transistor vem da abreviatura TRANSfer resISTOR, ou Transferência de Resistência).
O
Transistor de pontas era constituí-do por uma
pastilha de Germânio sobre a qual assentavam duas pontas metálicas muito próximas. Em 1 de
Julho de 1948 (cerca de 6 meses depois) a Bell
Telephone apresenta o novo componente, que foi recebido com grande indiferença e pouco entusiasmo pelos meios técnicos de
então. Não se julgue
que foi fácil e imediata a imposição do
Transistor como elemento alternativo às vávulas. Convém não esquecer que, nesta altura, estas tinham atingido
elevados níveis de elaboração e perfeição e que, por
outro lado, o Transistor de pontas apresentava dois
grandes defeitos; a sua fragilidade e o seu ruído de fundo.
Em Julho de 1949,
W. Shockley (que conjuntamente com os
outros 2 físicos
foi prémio Nobel em 1956) publicava um estudo teórico onde se
mostrava que uma junção criada pela existência de dois tipos diferentes de impurezas num cristal de germânio tinha propriedades eléctricas dissimétricas e
podia ser utilizada como Díodo. Este
cientista previa igualmente que uma estrutura dotada de duas dessas junções, próximas uma da
outra, era capaz de amplificar sinais eléctricos. A primeira realização dum Transistor
de junções data dos fins de 1951, fabrica-do pela Western
Electric em colaboração com a
Bell. Seria este o componente que na realidade iria revolucionar não só a Electrónica como
pratica-mente
todos os domínios tecnológicos dos nossos dias. A
partir de 1956, somente este tipo de Transístor era produzido em grande quantidade. Tendo
inicialmente propriedades electrónicas limitadas, o seu domínio de utilização expandiu-se
largamente num decénio, graças a enormes progressos no seu fabrico. Em vez de alguns miliwatts e de algumas dezenas de
kilohertz que constituíam o seu campo
de aplicação, obtinham-se,na década de 60, watts a 100 Megahertz e miliwatts aos 1000
Megahertz.
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| Fig. 7 — Os cientistas William
Shocley, John Bardeen e Walter Brattain aquando da descoberta do Transístor e, mais tarde, numa reunião que celebrava o 25.° aniversário do seu invento. |
A própria produção dos Transístores aumentou de uma maneira surpreendente; por exemplo, nos E. U. A. passou de 1,5 milhões de unidades em 1954 para 80 milhões em 1959 e atingiu perto de 500 milhões em 1965. Na década de 50, estes componentes começam a ser rapidamente utilizados em aplicações militares e nos
primeiros computadores (originando a segunda geração destas máquinas). A era dos tubos a vácuo praticamente terminara (a sua aplicação, nos nossos
dias está restrita a
campos muito específicos, nomeadamente no audio, onde está em expansão desde a década dos anos noventa, do século XX), iniciando-se uma nova revolução tecnológica, que ainda perdura, e que culminou com a
ultra miniaturização dos componentes electrónicos
desenvolvida, como sabem, nos circuitos integrados e nomeadamente nos microprocessadores, cada vez mais evoluídos.
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Fig. 8 — A evolução tecnológica no domínio da Electrónica, no decurso de meio século: Em cima: Válvulas electrónicas de
diferentes épocas e alguns transístores. Em baixo. Um circuito integrado
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Não vale a pena
adiantar muito mais sobre esta aliciante história da Electrónica, já que muita informação detalhada se poderá encontrar em bons compêndios sobre o assunto. Naturalmente que todos os dias se escreve mais umas linha na evolução deste tão vasto mundo, que é o da Electrónica.
Conclusões a fixar
Embora já há muito conhecidas as propriedades semicondutoras de certos materias, o transístor tem apenas algumas dezenas de anos. Não obstante, alcançou e superou as válvulas na maior parte das suas aplicações correntes e com um custo muito menor.
Os componentes semicondutores amplificam, rectificam, detectam e modulam com maior ou igual facilidade que as antigas válvulas electrónicas. Estes componentes não devem ser submetidos a temperaturas elevadas nem devem ser sobrecarrega-dos com intensidades de correntes não prevista pelos fabricantes.
