Não há dúvidas que nos últimos anos houve uma grande revolução na área da microeletrônica, essa revolução se deu na tentativa de se obter dispositivos cada vez mais eficientes. Um bom exemplo são os microprocessadores, quanto mais rápido for um processador; melhor! Não é mesmo? Uma forma ultilizada para aumenar a velocidade de operação dos circuitos integrados e, consequentemente, dos microprocessadores é a redução no tamanho do dispositivo eletrônico (em geral os transistores). Mas pensemos um pouco, até que ponto é possível diminuir o tamanho de um dispositivo? Será que é possível manipular “coisas” infinitamente pequenas? A resposta à essas perguntas é: SIM , atualmente os cientistas conseguem tal façanha! Para se ter uma ideia, o estado da arte está tão sofisticado que se pode manipular apenas um elétron, e ainda mais, pode-se usar essa manipulação para produzir dispositivos que operam com apenas um único elétron.

A arte de manipular um único elétron foi demonstrada por Millikan  no início do século passado (veja o experimento), mas só foi implementada de fato a partir da década de 80, em circuitos de estado sólido. A grande demora entre a descoberta e a implementação, foi devido às técnicas de crescimento não serem suficientemente desenvolvidas. No decurso das últimas décadas surgiram técnicas de nanofabricação sofisticadas o bastante, tornando possível um novo campo na eletrônica, a eletrônica de único elétron (Link para o transistor de apenas um elétron).

Caro leitor, devido a complexidade envolvida na implementação de um dispositivo dessa natureza, não é possível dar uma explicação nos mínimos detalhes, porém tentarei dar uma ideia geral dos fenômenos envolvidos. Então vamos ao que interessa. A região onde se dá o controle de um único elétron é tradicionalmente chamada de ilha, na figura logo abaixo são mostrados os conceitos básicos que envolvem o fenômeno.

De acordo com a figura acima, o pequeno condutor (ilha) se encontra eletricamente neutro, dessa forma a ilha não gera nenhum campo elétrico apreciável além de suas fronteiras, e, como visto na parte (a) da mesma figura, através de uma força externa , pode-se adicionar um elétron em seu interior¹. Depois da injeção do elétron na ilha, ela fica carregada com uma carga e seu campo elétrico resultante é repulsivo para outros elétrons. Isso diminui a probabilidade de outro elétron entrar na ilha, seja pela ação da força ou pelo tunelamento.

Uma vez que compreendemos como acontece o fenômeno que mantém apenas um elétron dentro de uma ilha, podemos pensar em um dispositivo. Imagine dois eletrôdos condutores separados por um isolante, e entre esses condutores uma ilha, veja a figura abaixo.

Como a distância entre os condutores e a ilha é muito pequena (obs. a figura não está em escala), haverá possibilidade dos elétrons que estão no condutor saltarem para a ilha (isso é conhecido como tunelamento), agora veja: se há algum elétron em excesso na ilha, a probabilidade de tunelamento diminui, por causa da repulsão colombiana, mas se a ilha estiver neutra a probabilidade de tunelamento aumenta. Esse efeito e chamado “Bloqueio de Coulomb” e esta é uma forma que se consegue o controle de um único elétron em um dispositivo.

A ideia básica de um dispositivo de único elétron parece ser simples, porém existe uma dificuldade muito grande na implementação de dispositivos dessa natureza quando o objetivo é obter um padrão de fabricação. Atualmente essa é uma barreira a ser vencida pela ciência, uma das esperanças dos pesquisadores para implementação de tal dispositivo, são os dispositivos orgânicos. Quem sabe nossos computadores terão processadores de materiais orgânicos nos próximos anos. Eu acredito na potencialidade dos materiais orgânicos na microeletrônica. E você, caro leitor, o que espera da microeletrônica para os próximos anos?

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1. Na prática, na maioria dos dispositivos, essa injeção de portador se dá através do tunelamento de uma barreira de potencial criada por uma fina camada isolante

P.S Em breve irei abordar o tema de materiais orgânicos na microeletrônica!

No último artigo que publiquei aqui no TecnoSapiens, intitulado como História: Semicondutor antes de 1900, tratamos das primeiras descobertas que impulsionaram as pesquisas em semicondutores. No presente artigo vou mostrar as descobertas subseqüentes que levaram à tecnologia que temos atualmente.

Durante estes anos de desenvolvimento cientifico se destacaram algumas pesquisas que conduziram ao atual avanço tecnológico que vivemos nos dias de hoje. O início do século XX, foi fundamental para o desenvolvimento da microeletrônica, pois houve um enorme progresso na teoria física com o desenvolvimento da mecânica quântica, feita por Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schrödinger e outros, notadamente durante a década de 20. Em paralelo a este fato, foi proposto um primeiro conceito de desenvolvimento de um transistor, o transistor de efeito de campo (FET-Field Efect Transistor) em estado sólido.

No ano de 1936 a Bell Labs decide criar um grupo de pesquisa específico para estudar e desenvolver dispositivos semicondutores, com o objetivo de fabricar o transistor de efeito de campo. Um outro grupo bastante ativo nesta área e que contribuiu significativamente com o trabalho na Bell Labs foi o grupo da universidade de Purdue. Em 1940, R. Ohi identifica pela primeira vez semicondutores de Si tipo p e tipo n. No mesmo ano, J. Scaff e H. Theuerer mostram que tanto o nível quanto o tipo de condutividade do Si, é devido à presença de impurezas (dopagem). Durante a década de 40 a eletrônica tinha por base as válvulas termoiônicas e relês eletro-mecânicos. Mas as válvulas termoiônicas eram frágeis, tinha um custo de produção elevado e de alto consumo de energia, enquanto os relês eletro-mecânicos com as mesmas características das valvulas e tinham comutação muito lenta. Estas características incentivaram novas pesquisas em torno dos semicondutores Silício e germânio.

Estas limitações destes dispositivos motivaram o reinício da pesquisa e desenvolvimento de novos dispositivos de estado sólido. Assim, em 1946, a Bell Labs recria seu grupo de pesquisa em estado sólido, agora sob liderança de William Shockley, concentrando esforços na pesquisa dos semicondutores Ge e Si e de transistores de efeito de campo. Nesta época, um dos pesquisadores do grupo, Bardeen, sugere uma explicação pelo insucesso na obtenção do transistor FET baseado na alta densidade de estados de superfície dos semicondutores. Mas persistindo na pesquisa da invenção do FET, Bardeen e Brattain descobrem por acaso o efeito de transistor bipolar, no final de 1947 foi demonstrado o efeito transistor por J. Bardeen, W. Shockley e W. H. Brattain (trabalho premiado com o Nobel de física de 1956 – Lista de físicos laureados com o Prêmio Nobel) em um cristal de germânio.

O primeiro transistor, construído por Bardeen e Brattain conhecido como transistor de ponto de contato criado em dezembro de 1947 na Bell Labs.

Na década de 50, o efeito de resistência negativa em junções tipo p com tipo n altamente dopadas foi observado por Esaki, levando à descoberta do efeito quântico de tunelamento. A criação do diodo túnel teve tamanha importância no percurso de desenvolvimento dos dispositivos que garantiu para Leo Esaki o Prêmio Nobel de 1973. Ainda na década de 50 foi criado o primeiro dispositivo que continha, em um único bloco de Si, um transistor, um capacitor e um resistor, interconectados através de fios soldados nos contatos, ver figura abaixo, abrindo caminho para o desenvolvimento de circuitos integrados CI. Outra contribuição muito

Primeiro circuito integrado feito por Jack S. Kilby*.

importante de Esaki, foi a criação de heteroestruturas, em 1969-1970, que separavam elétrons de impurezas ionizadas, de forma a reduzir o espalhamento e aumentar a mobilidade dos portadores. Na década de 60 mais precisamente em 1965 Gordon Moore, um dos fundadores da Intel, percebeu que o número de transistores dos circuitos integrados cresceria exponencialmente, dobrando a cada dois anos (depois observou-se este crescimento a cada um ano e meio), e previu que esta tendência deveria continuar. A esta tendência denominou-se lei de Moore.

O desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas de crescimento de materiais com alta qualidade, tais como deposição por epitaxia do tipo MBE-Molecular Beam Epitaxy e deposição por vapor químico do tipo MOCVD-Metalorganic Chemical Vapor Deposition, tornou-se possível o crescimento de camadas monoatômicas individuais uma após a outra, produzindo redes cristalinas artificiais e interfaces quase perfeitas. Com os grandes avanços obtidos nas décadas de 80 e 90, a tecnologia de crescimento de cristais semicondutores se encontra atualmente em um estágio de desenvolvimento bastante elevado. Com o uso destas tecnologias de crescimento de cristais, juntamente com as avançadas técnicas de nanolitografia e de corrosão química (Chemical etching), é possível, com uma engenharia de estrutura de banda, produzir as mais variadas nanoestruturas semicondutoras, as quais devido às escalas de tamanho envolvidas, tem o comportamento dos portadores (elétrons e buracos) governado pela mecânica quântica. Isso não só tornou possível o avanço de dispositivos semicondutores, como também manteve a lei de Moore vigente até os dias atuais.

Quando pensamos em desenvolvimento tecnológico, logo vem em nossas cabeças a descoberta do transistor por John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley nos Laboratórios da Bell Telephone em dezembro de 1947! Porém pouco se diz como se deu essa descoberta. Afinal, tudo começou em 1947? Quantos neurônios foram “queimados” para construir a base para essa grande descoberta? E algo importante, de quem foram esses neurônios? O que foi implementado antes do transistor? Existia comunicação via rádio antes do transistor? Pensando nessas questões fiz uma breve revisão histórica sobre a utilização de semicondutores antes de 1900 e apresento a você, caro leitor!

Embora as pesquisas em semicondutor não demorassem muito tempo para chegar ao desenvolvimento atual (60 anos de intensas pesquisas), historicamente temos relatos muito antigos, como o de 1833, uma descoberta feita por Michael Faraday que abriu caminho para as pesquisas em semicondutores. Faraday descobriu que o composto sulfito de prata tem um coeficiente negativo de resistência com a temperatura* e esta é uma propriedade típica nos materiais semicondutores. O oposto é verdadeiro para um condutor, pois este tem um coeficiente positivo de resistência. Uma outra contribuição importante para o campo da física de semicondutor foi a descoberta do físico francês, Alexander Edmond Becquerel. Em 1839 Becquerel relatou que tinha observado o efeito fotovoltáico em eletrodos de platina coberto por cloreto de prata ( AgCl), este foi o primeiro dispositivo fotovoltáico relatado, a fotovoltagem foi gerada no contato do semicondutor AgCl com o condutor Ag (prata). A próxima década importante para pesquisa de semicondutores foi a década de 1870, durante esse período o selênio foi a grande descoberta e trouxe muitos avanços para a evolução dos dispositivos.

O desenvolvimento dos dispositivos eletrônicos iniciou-se em 1874, quando Karl Ferdinand Braun construiu um retificador com um cristal de Galena, ou como é comumente conhecido, sulfeto de chumbo (PbS), soldado com um fio metálico**. Braun observou que o fluxo de corrente total foi alterado, passando a depender da polarização da tensão aplicada e das condições da superfície do material, desta forma ele descobriu o caráter assimétrico da condução elétrica entre metais e semicondutores. A primeira observação de efeito fotovoltáico em sistemas contínuos foi feita em 1876 e a substância de semicondutor era novamente o selênio. W. G. Adams, junto com seu estudante R. E. Day investigava as propriedades fotoelétricas do selênio em Cambridge e eles descobriram que se iluminassem uma junção de selênio e platina teriam o efeito fotovoltáico. A partir dessas descobertas surgiram  novos dispositivos, e importantes avanços em pesquisas relacionadas com a Física da matéria condensada possibilitaram a construção de aparatos que se tornavam cada vez mais eficientes e com aplicações tecnológicas notáveis.

Em 1883, Charles Edger fritts, um eletricista de Nova York, construiu uma pilha solar de selênio (atualmente as pilhas solares são usadas no lugar das baterias nos instrumentos tais como satélites e calculadoras). Aqui deve ser lembrado que este era o primeiro dispositivo com uma área grande e feito de junção semicondutor-metal; entretanto, era muito ineficiente em converter energia solar em energia elétrica. Embora as observações mais significativas do século XIX viessem durante o período 1870-1885, os semicondutores ainda não tinham recebido nenhuma aplicação com finalidade prática. Após a demonstração de Hertz da existência de ondas eletromagnéticas em 1888, um número grande de cientistas começou há de se envolver com descobertas recentes, e o telegráfo via ondas se tornou uma realidade praticável. Entre elas, Jagadish Chandra Bose era a primeira pessoa à introduzir semicondutores para a recepção de ondas eletromagnéticas.

Assim termina a história do semicondutor no século XIX. A saga do semicondutor começa com o sulfito de prata de Faraday em 1833, e no fim do século incorpora o século seguinte com glória, com aplicação introdutória dos semicondutores para finalidades de Telégrafos via ondas feita por Bose.

Veja também

História: Semicondutor a partir de 1900

Obs.: Em breve continuarei esse histórico sobre semicondutores, relatarei os acontecimentos a partir de 1900 até os dias atuais!