O Transístor

Da abstração à realidade

Ao pensarmos na materialização das portas lógicas em portas com comportamento físico igual ao das portas lógicas, vamos ter que descer da abstração para o concreto e perceber como se podem materializar estes raciocínios em termos de máquina.
E a máquina, como já disse, é um conjunto de circuitos elétricos que vamos tentar pôr a reproduzir o pensamento do Sr. George Boole.
Portanto, conceitos relacionados com eletricidade passarão a partir daqui a ter que fazer parte dos nossos raciocínios. Falemos então um pouco sobre eletricidade, mas evidentemente de uma forma muito básica, a necessária e suficiente para continuarmos com o objetivo que perseguimos.

Eletricidade

A eletricidade é um fenómeno físico. Não se vê nem se lhe pega, mas sabe-se quando está presente. Para percebermos o que isto é vamos falar sobre os átomos.
Os átomos são os tijolos da natureza. Tudo o que existe é composto por átomos. O ar, a água e os sólidos. Os átomos têm dimensões imensamente pequenas. Um grão de areia é constituído por milhões de átomos. Comparemos o átomo  ao nosso sistema solar. No centro está o núcleo do átomo e à volta deste giram pequenas partículas. O centro é o Sol e as pequenas partículas são os planetas.
O centro do átomo é o núcleo, composto por Neutrões e Protões e à volta deste giram os Eletrões. E porque giram os eletrões à volta do núcleo? Porque são atraídos por ele. No núcleo os protões têm carga elétrica positiva e os eletrões têm igual carga negativa. Então, tal como no sistema solar é feito pelos planetas, os eletrões colocam-se em órbitas à  volta do núcleo, de forma que a distância, velocidade e massa, igualem a atração a que são submetidos e a sua energia Cinética (a força para se afastarem geradas pela sua velocidade e massa).
Quando um átomo está em equilíbrio, tem igual número de  protões e de eletrões. Nalguns metais, como por exemplo o cobre, os eletrões giram em órbitas tão afastadas do núcleo que facilmente se libertam do mesmo. Ao libertarem-se e movimentarem-se ao longo do metal geram aquilo a que chamamos eletricidade (ou corrente elétrica), que mais não é do que eletrões em movimento (ou corrente de eletrões). E o seu movimento vai-se propagando por todas as linhas que estejam em conexão.
Os eletrões viajam em circuitos fechados. Se abrirmos o circuito, interrompemos o fluxo, pois os eletrões deixam de se movimentar. É assim que ligamos ou desligamos uma lâmpada através de um interruptor fechado ou aberto, permitindo ou não que os eletrões fluam pelo filamento da lâmpada, tornando-o incandescente pelo calor que a sua passagem gera no mesmo, produzindo luz.
O filamento da lâmpada torna-se incandescente porque oferece resistência ao fluxo de eletrões. Resistência é a oposição ao fluxo de eletrões que um determinado material oferece. Ao valor desta resistência dá-se o nome de impedância do material.
Um bom condutor é um material de impedância zero ou quase zero, isto é, não oferece qualquer resistência ao fluxo de eletrões. Um isolante é um material de resistência infinita, isto é, não deixa que os eletrões fluam através dele.
Feita esta abordagem básica e entendida a função dos eletrões no seu movimento, vamos continuar com o nosso trabalho.
Comecemos por falar das válvulas termiónicas, para bem entendermos depois a abordagem aos transístores.

Válvulas termiónicas

Vamos concretamente analisar o funcionamento de um tríodo. Uma válvula é, como o nome literalmente indica, um controlador do fluxo de corrente elétrica que a atravessa, tal como as torneiras são para a água. Os elementos componentes da válvula, Figura 1, são contidos dentro de uma ampola em que é criado vácuo, de forma a diminuir a resistência à transmissão de corrente elétrica. Os elementos que a compõem são:

• Um Filamento ou resistência elétrica cuja única finalidade é produzir calor;
• Uma placa metálica ligada ao polo negativo que se chama Cátodo;
• Uma outra placa metálica ligada ao polo positivo do alimentador que se chama Ânodo;
• Uma Grade (que se pode designar como tal pois é uma rede metálica) ligada ao polo negativo do alimentador através de um circuito onde é interposto um potenciómetro.

O Ânodo, ligado ao polo positivo, carrega-se positivamente e escoa para a fonte os eletrões livres. Ligado ao polo negativo, o Cátodo satura-se de eletrões. Estabelece-se assim uma diferença de potencial entre o Cátodo e o Ânodo. Aquecido pelo filamento o Cátodo consegue libertar os eletrões que começam então a circular através do vazio (a ampola está em vácuo) do Cátodo para o Ânodo, estabelecendo assim uma corrente elétrica que atravessa a válvula, como se mostra na Figura 1 a.
Diminuindo até zero a resistência do potenciómetro, aplica-se uma tensão negativa à grade através da mesma alimentação do filamento, ficando a mesma saturada de eletrões. Ora, como cargas iguais se repelem, a Grade impede a circulação de eletrões do Cátodo para o Ânodo através dela, interrompendo assim o fluxo de corrente elétrica dentro da válvula, como se vê na Figura 1 b.
Nas posições intermédias de regulação do potenciómetro obtêm-se níveis intermédios de corrente elétrica (ou corrente de eletrões). Era o que acontecia com a regulação do volume de um rádio a válvulas, por exemplo. Para os circuitos digitais tal não interessa. Só queremos saber do tudo ou nada.
Mas as válvulas eram extremamente sensíveis (eram de vidro tal como as lâmpadas), volumosas, consumiam enormes quantidades de energia e demoravam a aquecer para poderem começar a funcionar.
O ENIAC (Electrical Numerical Integrator And Calculator) foi o primeiro computador digital eletrónico de grande escala. Criado em Fevereiro de 1946, o computador pesava 30 toneladas, media 5,50 m de altura e 25 m de comprimento e ocupava 180 m² de área. Foi construído sobre estruturas metálicas com 2,75 m de altura e contava com 70 mil resistências, 17.468 válvulas a vácuo, 10.000 condensadores, 1.500 relés e 6.000 interruptores ocupando a área de um ginásio desportivo. Segundo Tom Forester, quando acionado pela primeira vez, o ENIAC consumiu tanta energia que as luzes de Filadélfia piscaram. O ENIAC era capaz de fazer quinhentas multiplicações por segundo.
Era evidente que as válvulas, embora cumprindo a sua função, necessitavam de um urgente substituto. Tal como neste trabalho serviram para introduzir o tema, também na realidade serviram para aguçar o engenho do homem para lhes arranjar substituto. E foi assim que surgiu o Transístor graças ao qual a enormidade do ENIAC foi substituída pelos computadores que hoje conhecemos e em que o processador, com cerca de 1 cm² é capaz de efetuar milhares de milhões de operações por segundo.

Transístores

Os transístores têm comportamentos equivalentes ao das válvulas, havendo diversos tipos de transístores conforme o tipo de aplicação a que se destinam.
Para ilustramos a forma física como a lógica se materializa, vamos usar transístores MOSFET inseridos em circuitos com a arquitetura dos transístores da família DCTL (Direct Coupled Transistor Logic) na construção das portas lógicas cujo comportamento queremos imitar de forma física.
A razão de assim proceder prende-se com o facto de ser a arquitetura mais simples de compreender e portanto aquela que entendemos ser a mais indicada para prosseguirmos o nosso trabalho de características didáticas.
A família de transístores DCTL nunca chegou a ser implementada na construção de circuitos integrados. Outras famílias posteriores foram-no, pela incorporação de resistências e arquiteturas diferentes, que embora muito semelhantes são de interpretação muito mais difícil.

De qualquer forma todas elas estão praticamente extintas e substituídas por transístores da família MOSFET (Metal Oxide Semiconductor of Field Effect Transistor), que compõe a quase totalidade dos Circuitos Integrados atuais. Um transístor MOSFET é constituído por:

• uma Fonte ,
• um Dreno ,
• uma Porta
• e a Base ou substrato (P),

conforme podemos ver na Figura 2, em esquema gráfico.
De entre as muitas diferenças entre os transístores da família MOSFET e os transístores das famílias anteriores, que dão pelo nome de Bipolares, realçamos o facto de nos MOSFET as Portas estarem isoladas da Fonte e do Dreno, pelo que a corrente elétrica que alimenta as Portas não passa para o Dreno, reduzindo assim o consumo de energia bem como a quantidade de componentes (resistências p.e.), aumentando em consequência a sua capacidade de integração.

A família MOSFET inclui os transístores:

• nMOS, em que Fonte, Dreno e Porta são negativamente dopadas e inseridas num substrato positivamente dopado,
• pMOS, em que Fonte, Dreno e Porta são positivamente dopadas e inseridas num substrato negativamente dopado e
• CMOS, compostos sempre por dois transístores sendo um nMOS e outro pMOS, dando assim origem ao seu nome CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor).

São os transístores CMOS aqueles que são mais utilizados atualmente, concretamente em microprocessadores e memórias. No entanto a arquitetura dos seus circuitos é de muito maior complexidade e portanto, de menor facilidade de compreensão para o objetivo desta parte do nosso trabalho, pelo que nos vamos focar na análise dos transístores nMOS.

O material atualmente utilizado na fabricação do transístor é o Silício. Na natureza, o silício é um material isolante elétrico, devido à conformação das ligações eletrónicas dos seus átomos, gerando uma rede eletrónica altamente estável.
É a propriedade do Silício de, mediante a introdução de impurezas, alterar em locais específicos a sua estrutura estável, convertendo-a em estruturas instáveis do tipo P (Positivo) ou N (Negativo), que torna possível a construção de transístores sobre finos blocos de cristal puro do mesmo a que se chama Wafer ou Bolacha.
Os transístores que nos interessam, são criados em bolachas de silício purificado como parte de circuitos integrados. No local de cada transístor a bolacha é sujeita a um processo de dopagem (ionização), sendo introduzidas quantidades rigorosamente controladas de materiais selecionados, conhecidos como impurezas.
São estas que transformam a estrutura eletrónica do Silício, introduzindo-se entre as ligações dos átomos de silício, roubando ou dando eletrões aos átomos, gerando respetivamente o silício P ou N, conforme ele seja positivo (tenha falta de eletrões ou lacunas) ou negativo (tenha excesso de eletrões).
Se a impureza tiver um eletrão a mais, fica a sobrar um eletrão na estrutura cristalina. Se tiver um eletrão a menos, fica a faltar um eletrão, o que produz uma lacuna na estrutura cristalina, que funciona como se fosse um buraco móvel na mesma.
O transístor nMOS funciona pelo fluxo de corrente que pode gerar entre duas camadas N, incorporadas num substrato P como se pode ver na Figura 3.

A Fonte está ligada ao polo positivo e o Dreno está ligado ao polo negativo do alimentador. Conforme a Porta, que está ligada ao polo positivo, é ou não alimentada, assim a Base do transístor, a parte do substrato debaixo da Porta, funciona ou não como o tampão ao fluxo de eletrões entre a Fonte e o Dreno.

Quando é aplicada tensão à Porta, o seu estado positivo e o efeito de campo (Field Effect) repele os átomos com lacunas (átomos positivos) para longe da zona do substrato P junto à Porta (Base) e atrai os eletrões em sobra nas zonas N dopadas (negativos) da Fonte e do Dreno para esse local, permitindo assim o fluxo de eletrões entre a Fonte e o Dreno. Nesta situação o transístor comporta-se como um elemento de impedância praticamente nula, ou seja, um excecional condutor.

Se não for aplicada tensão à Porta, o seu estado negativo ou não existência de efeito de campo (Field Effect), mantém a Base como um elemento isolante e impede o fluxo de eletrões entre a Fonte e o Dreno. Nestas circunstâncias o transístor comporta-se como uma resistência de impedância infinita, isto é, um ótimo isolante.

E assim chegámos ao interruptor de que vimos falando há tanto.

A um material como o Silício, que sob a influência de ionização (introdução de impurezas) e por indução de tensões (o efeito de campo) se pode comportar como isolante ou condutor, dá-se o nome de semicondutor. É graças a este material e a esta sua propriedade que a tecnologia dos materiais semicondutores é a base atual do funcionamento dos circuitos de um computador

Na análise de lógica matemática só nos vai interessar saber se a corrente elétrica passa (1), ou não passa (0).  Para a lógica, não interessam os estados intermédios que os transístores possam contemplar. Ou tudo ou nada, é o que nos interessa. E o transístor permite-nos obter essas duas situações:

• Com tensão na Porta, ou P=1, conforme a Figura 4 Centro, em que o interruptor está fechado.
• Sem tensão na Porta, ou P=0, conforme a Figura 4 Direita, em que o interruptor está aberto

Tal como se formou o transístor NPN podia-se ter formado o transístor PNP, mas é o primeiro que vamos utilizar nesta parte do nosso trabalho.

Para se obter o objetivo de replicar fisicamente o comportamento de uma porta lógica, os transístores têm de ser ligados em circuitos. Os primeiros circuitos foram construídos ligando os transístores com fios  e posteriormente com linhas de cobre  em placas chamadas circuitos impressos (mais para a frente falaremos sobre isto). Cada porta por sua vez podia ser ligada a outras da mesma forma. Era a integração de transístores em circuitos.
Conforme a complexidade dos circuitos evoluiu e a nanotecnologia começou a reduzir a dimensão dos transístores, os circuitos e os transístores passaram a ser construídos dentro do mesmo encapsulamento, isto é, de integração de transístores em circuitos passámos para circuitos integrados de transístores, ou Chips.

E assim chegámos aos Circuitos Integrados, mas só os vamos analisar no próximo artigo.