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O transistor

Do simples radinho de pilha até as naves espaciais, o transistor é hoje uma peça presente em quase todos os aspectos da vida cotidiana. Mas, na alta fidelidade de reprodução do som, a velha válvula continua insubstituível

“Sem ele, o mundo e a história moderna seriam radicalmente diferentes: não haveria, por exemplo, indústria de computadores na escala que conhecemos, não haveria satélites de comunicação e, não haveria viagens espaciais.” As palavras, do físico norte-americano William Shockley , se referem a um diminuto dispositivo, hoje tão comum que sequer chama a atenção – o transistor. Criado nos laboratórios da Bell Telephone, nos Estados Unidos, em 1947, o transistor valeu ao próprio Shockley e a Walter Brattain e John Bardeen o prêmio Nobel de Física de 1956. Milhões de pessoas que compraram pela primeira vez um radinho de pilha sabem que foi uma premiação merecida.

O rádio começou a se incorporar ao cotidiano já nos anos de euforia que antecederam a Primeira Guerra Mundial, somando-se a outras invenções, como o automóvel e o cinema, que faziam a delícia de um mundo deslumbrado com a modernidade. Seu princípio básico consiste em fazer com que uma onda eletromagnética, produzida por um circuito elétrico, transporte informações à longa distância, através do espaço. Para entender como isso pode ser feito, é útil comparar as ondas de rádio com ondas formadas na superfície de um lago quando se atira uma pedra na água. Quatro grandezas físicas são importantes para caracterizar esse fenômeno: a freqüência, isto é, quantas ondas são produzidas num determinado intervalo de tempo; a amplitude, ou distância entre o nível mais alto (crista) e o nível mais baixo (cavado) da água; o comprimento da onda, isto é, a distância entre duas cristas consecutivas; e, finalmente, a velocidade com que a onda se propaga na água.

No caso das ondas eletromagnéticas, uma das maneiras de fazer a onda transportar informações complexas é sobrepor a uma emissão de freqüência constante e bastante elevada, chamada onda portadora, uma segunda emissão que produza variações na amplitude, que dependem das variações de energia geradas pelas ondas sonoras captadas pelo microfone. Ao sintonizar o rádio receptor na mesma freqüência da emissora, é possível reconverter o sinal secundário em ondas sonoras idênticas às que o produziram. Esse é o processo de amplitude modulada (AM). Outra maneira, utilizada em emissões radiofônicas de freqüências ainda mais altas, consiste em traduzir as variações de energia produzidas pelas ondas sonoras em pequenas variações de freqüência da onda portadora. É o processo de freqüência modulada (FM).

Nada disso seria possível, porém, sem a invenção da válvula eletrônica. Ainda em fins do século passado, trabalhando com um bulbo de vidro do qual havia retirado o ar, o americano Thomas Edison – criador da lâmpada elétrica – havia observado que uma faísca fluía através do vácuo entre um filamento aquecido e uma placa fria de metal. A descoberta permaneceu como simples curiosidade até que, em 1897, o inglês J.J. Thomson demonstrou que o efeito Edison era, na verdade, um fluxo de elétrons.

O passo seguinte, já no começo deste século, foi dado por outro inglês, J. A. Fleming, que percebeu o alcance prático que o fenômeno poderia ter e construiu um dispositivo – chamado diodo – formado por um tubo com vácuo, em cujo interior havia, numa das extremidades, um filamento emissor de elétrons, o catodo, e, na outra, uma placa receptora, o anodo. Como os elétrons só fluíam do catodo para o anodo, o diodo tinha a propriedade de, uma vez incorporado a um circuito elétrico, funcionar como uma válvula permitindo que a corrente se deslocasse num único sentido.

A invenção não pareceu grande coisa no princípio; porém, dois anos mais tarde, em 1906, o americano Lee De Forest teve a idéia de juntar um terceiro elemento ao dispositivo de Fleming: uma rede situada entre o catodo e o anodo. Impondo à rede um potencial elétrico, tornava-se possível aumentar ou diminuir o fluxo de elétrons entre os outros dois elementos. Ou seja, a válvula passava a funcionar também como amplificador. E não apenas isso, pois a corrente da rede passa a impor o seu perfil à corrente entre o catodo e o anodo. Quando um sinal de rádio – invariavelmente mais fraco do que o fluxo eletrônico – passa pela rede, determina a intensidade do fluxo entre o catodo e o anodo, que se torna, então, uma cópia amplificada do sinal recebido. A partir daí, é possível uma reprodução quase perfeita do som que produziu o sinal.

A válvula era uma invenção fantástica, mas tinha também alguns defeitos importantes: era grande e pesada demais, o que tornava os aparelhos de rádio uns enormes trambolhos; exigia um certo tempo para começar a funcionar e consumia muita energia, já que a emissão de elétrons só ocorre a partir do aquecimento elétrico do catodo; enfim, tinha um tempo de vida relativamente curto, devido ao desgaste dos componentes, além de ser uma peça frágil.

A busca de uma alternativa levou o técnico americano George Southworth, da Bell Telephone, a empreender na década de 30 uma curiosa marcha à ré. Southworth teve a idéia de voltar aos dispositivos utilizados na detecção das emissões de rádio antes da invenção da válvula. Eram os retificadores naturais de correntes, o mais bem-sucedido dos quais havia sido a galena, um mineral de chumbo empregado nos primeiros aparelhos de rádio. Southworth custou a encontrar um rádio de galena nas lojas de artigos de segunda mão, mas finalmente pôde comprovar que o material era realmente superior à válvula na detecção de altas freqüências.

A pesquisa, que envolvia o estudo dos chamados semicondutores – materiais cuja capacidade de conduzir correntes se situa entre a dos metais, ótimos condutores, e a dos isolantes, através dos quais a corrente praticamente não passa – foi retomada logo após a Segunda Guerra Mundial. Em 1947, comandando um grupo de físicos, Shockley, Brattain e Bardeen faziam experiências com uma amostra do mineral germânio à qual fora acrescentado um pontinho de ouro. Ao aproximá-los de um filamento de volfrâmio, que acabara de receber uma descarga elétrica acidental, Brattain teve uma surpresa. Ele esperava ver fluir um jorro de elétrons do filamento para o semicondutor; o jorro de fato ocorreu, só que em sentido contrário: os elétrons saíam da amostra de germânio em lugar de entrar.

Brattain e Bardeen se deram conta imediatamente de que estavam diante de uma descoberta fundamental. Dias depois, repetiram a experiência com o filamento mais próximo do ponto de ouro e obtiveram uma amplificação. Estava aberto o caminho para a construção do primeiro transmissor. O princípio básico de que ele partia é que a adição de certas impurezas ao material altamente purificado afeta a mobilidade dos elétrons, torna possível formar um dispositivo compacto em camadas, de tal forma que uma pequena corrente, fluindo numa das camadas, pode ser usada para controlar uma corrente muito mais intensa em outra, produzindo uma amplificação. Assim, quando transistor recebe um sinal de rádio, os elétrons da corrente passam a fluir numa intensidade proporcional à do sinal. A corrente, assim modificada, se torna então uma cópia amplificada do sinal recebido.

Embora sem a mesma qualidade da válvula na reprodução do som original – o que explica o renovado interesse dos ouvintes mais exigentes pelas velhas válvulas – o transistor apresentava uma série de vantagens: baixo consumo de energia, longa vida, maior resistência aos choques e, principalmente, uma extraordinária redução de tamanho e peso. Isso possibilitaria, em pouco tempo, a construção de circuitos integrados com milhares de transistores, condensadores e resistências concentrados num chip do tamanho de uma unha humana.