Meu primeiro contato com transístores e semicondutores foi no segundo grau técnico. Fiz Escola Técnica Federal de São Paulo, quase uns 30 anos atrás, curso de Telecomunicações. Este curso tinha muitas grades de Eletrônica, então estive a mexer com resistores, diodos, protoboards, isso tudo.

Eu achava muito esquisito o transístor ter três pés!

Qual a relação entre silício, semicondutores, transistores e Homem de Ferro?

É importante saber que o silício é um elemento que fica em cima do muro. Uma “Maria-vai-com-as-outras”. Não é nem isolante nem condutor, por isso, é um “semi-condutor”. Com um empurrãozinho para um lado, ele vira isolante, com um empurrãozinho para o outro lado, ele vira condutor; por isso mesmo, ele é ideal para uma chave liga-desliga.

Como isso ocorre? O silício tem quatro elétrons na última camada, assim como o carbono, germânio e outros elementos da sua coluna na tabela periódica.

A gente aprende, em algum momento do segundo grau, que os átomos gostam de ter 8 elétrons na última camada (a rigor o número ideal de elétrons depende da camada, mas vamos nos ater a 8).

Se o átomo tiver poucos elétrons, tipo 1 ou 2, é mais fácil ele “doar” esse elétron a outro elemento. Mas se tiver tipo 6 ou 7 elétrons, é mais fácil ele “pegar emprestado” de outro, possivelmente de quem estiver com 1 ou 2 sobrando.

Ora, o silício está bem no meio, com 4 na última camada. Está bem em cima do muro. É como aquele político do centrão, que vota à esquerda numa assembleia e vota à direita em outra… Se o silício perder alguns átomos, vira um “doador”, se ganhar alguns, vira um “tomador”. E exatamente essa característica interessante que a torna tão útil!

Como fazer para desequilibrar o silício um pouquinho, e fazer ele tender a um dos lados? Ora, una ele a uma má influência, que vai fazer tal papel. Um lobista da direita vai fazer ele pender à direita, e vice-versa. Essa “má influência” são impurezas controladas — chamadas de dopantes.

Doadores | dopantes: Fósforo (P), Arsênio (As) | Resultado: Silício tipo N, Adiciona elétrons livres
Tomadores | dopantes: Boro (B), Gálio (Ga) | Resultado: Silício tipo P, Cria lacunas (buracos)

Um dopante como o Arsênio adiciona elétrons livres, e esta combinação é do tipo N. Da mesma forma, o Gálio cria lacunas (tira elétrons livres), e é uma combinação do tipo P.

Um transistor tem três terminais. Cada um deles dá numa camada tipo P ou tipo N, definidas acima.

Há duas possibilidades: PNP ou NPN.

Cada camada dessas é calibrada para ficar num estado ligeiramente isolante ou condutor. Quando há uma corrente da base para o coletor, a quantidade de elétrons da corrente supera a barreira de condutividade, o que “abre a porteira” para uma quantidade maior ainda de elétrons do emissor ao condutor. Da mesma forma, se não há corrente da base para o condutor, ocorre o oposto: não há corrente do emissor ao condutor. Essa é, por alto, a forma que o transístor atua como chave, como o 0 ou 1, como o elemento básico de computação que conhecemos hoje!

Fazendo uma analogia com água, é como se a camada do meio estivesse com água abaixo do nível para ligar os outros dois reservatórios. Se eu subir o nível da água do meio, conecto os dois extremos.

Para informações muito mais completas, o Feynman Lectures on Computation explica tudo com didática impressionante, sem perder o rigor.

Curiosidade: nos quadrinhos de muito antigamente, década de 70, o Homem de Ferro mencionava, com muita frequência, a inovação da época: o transístor. Traje com transístor, raio transistorizado, e também a frase “Os meus transístores estão fracos!”. Não faz nenhum sentido físico, mas era tudo imaginação mesmo, então está valendo. Não tenho nenhum exemplar da época, pois há muito me desfiz deles, mas fica aqui uma das capas de muito antigamente!

E uma versão usando o espetacular MidJourney!