O transistor eletrônico moderno é um dispositivo semicondutor, comumente usado para amplificar ou trocar sinais eletrônicos. Um transistor é feito de uma peça sólida de um material semicondutor, com pelo menos três terminais para conexão a um circuito externo. Uma tensão ou corrente aplicada a um par de terminais do transistor, altera a corrente que flui através de outro par de terminais. Como a potência controlada (saída) pode ser muito maior do que a potência controlada (entrada), o transistor fornece amplificação de um sinal. O transistor é o elemento fundamental dos dispositivos eletrônicos modernos e é utilizado em sistemas de rádio, telefone, computador e outros sistemas eletrônicos. Alguns transistores são embalados individualmente, mas a maioria é encontrada em circuitos integrados.

Como é frequentemente o caso de muitas invenções, o transistor é o resultado do trabalho de muitos inventores, e apenas o último, ou o mais inteligente, leva toda a glória. Neste caso foram os americanos John Bardeen, William Shockley e Walter Brattain, que receberam o Prêmio Nobel de Física em 1956 por sua invenção do transistor, que foi chamada a invenção mais importante do século XX

Quem foi o primeiro, no entanto?

O início da pesquisa em semicondutores é marcado pelo relatório de Michael Faraday de 1833 sobre o coeficiente de resistência à temperatura negativa do sulfeto de prata. Esta é a primeira observação de qualquer propriedade semicondutora. Em seu trabalho de 1833, “Pesquisas Experimentais em Eletricidade” Faraday (ver o retrato próximo) revelou esta observação. Esta observação distinguia-se das propriedades habituais dos metais e electrólitos em cujo caso a resistência aumenta com a temperatura.

O próximo contribuinte significativo para o campo dos semicondutores é o físico experimental francês Edmond Becquerel. Em 1839, ele relatou a observação de fotovoltagem nos eletrodos de platina revestidos com cloreto de prata. Em sua experiência, um eletrodo de platina revestido com AgCl foi imerso em uma solução aquosa de ácido nítrico eletrolítico. A iluminação do eletrodo gerou fototensão que alterou os campos eletromagnéticos produzidos pela célula, na verdade, produziu uma fotocorrente redutora (catódica) no eletrodo revestido com AgCl; este foi o primeiro dispositivo fotovoltaico relatado. A fototensão foi gerada no contato metálico semicondutor Ag/AgCl.

Em 1873, o engenheiro elétrico inglês Willoughby Smith (1828-1891) (veja o retrato próximo) chegou à descoberta da fotocondutividade do selênio. Inicialmente ele estava trabalhando com cabos submarinos. Ele começou a fazer experimentos com selênio por sua alta resistência, que parecia adequada para sua telegrafia submarina. Vários experimentadores mediram a resistência das barras de selênio, mas a resistência medida por eles sob diferentes condições não estava de todo de acordo. Então Smith descobriu que a resistência realmente dependia da intensidade da luz incidente. Quando as barras de selênio eram colocadas dentro de uma caixa com a tampa deslizante fechada, a resistência era a mais alta. Quando vidros de várias cores eram colocados no caminho da luz, a resistência variava de acordo com a quantidade de luz que passava através do vidro. Mas quando a tampa foi retirada, a condutividade aumentou. Ele também descobriu que o efeito não se devia à variação de temperatura.

Em 1874, o físico alemão Ferdinand Braun (veja o retrato ao lado), um graduado de 24 anos da Universidade de Berlim, estudou as características dos eletrólitos e cristais que conduzem a eletricidade na Universidade de Würzburg. Quando ele sondou um cristal de galena (sulfeto de chumbo) com a ponta de um fino fio metálico, Braun notou que a corrente fluía livremente em apenas uma direção. Ele tinha descoberto o efeito de retificação no ponto de contato entre metais e certos materiais cristalinos.
Braun demonstrou este dispositivo semicondutor para uma audiência em Leipzig em 14 de novembro de 1876, mas não encontrou nenhuma aplicação útil até o advento do rádio no início de 1900, quando ele foi usado como detector de sinal em um conjunto de “rádio cristal”. O nome descritivo comum “cat’s-whisker” detector é derivado da sonda metálica fina usada para fazer contato elétrico com a superfície do cristal. A Braun é mais conhecida pelo seu desenvolvimento do osciloscópio do tubo de raios catódicos (CRT) em 1897, conhecido como “tubo Braun” (Braunsche Röhre em alemão). Ele compartilhou o Prêmio Nobel de 1909 com Guglielmo Marconi por suas contribuições para o desenvolvimento da telegrafia sem fio, principalmente o desenvolvimento de circuitos sintonizáveis para receptores de rádio.

O primeiro homem, aplicou semicondutores para fins práticos, foi o polimata Bengali Sir Jagadish Chandra Bose (1858-1937). Jagadish Chandra Bose (ver o retrato próximo) foi um físico genial, biólogo, botânico, arqueólogo, e escritor de ficção científica. Para receber a radiação, ele usou uma variedade de diferentes junções de semicondutores metálicos ligados a um galvanômetro altamente sensível em série. Ele inventou vários dispositivos semicondutores, o primeiro dos quais foi seu detector Galena, que ele inventou algum tempo durante 1894-1898, e demonstrou no Royal Institution Discourse em 1900. Neste dispositivo, um par de contatos pontuais (bigodes de gato), neste caso de galena, foi conectado em série com uma fonte de tensão e um galvanômetro. Este dispositivo podia detectar qualquer tipo de radiação, onda Hertziana, ondas de luz e outras radiações. Ele chamou seu detector de contatos de ponto de galena de retina artificial (porque através de um arranjo adequado ele poderia ser feito para detectar apenas onda de luz), um radiômetro universal. Bose recebeu mais tarde a primeira patente de um dispositivo semicondutor no mundo, nomeadamente para o detector Galena. Entre os seus outros receptores semicondutores pioneiros de estado sólido, estão o coerente de mola espiral e o coerente de ferro-mercúrio (detector) com um telefone.

Entre 1902 e 1906, o engenheiro eléctrico americano Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956) (ver o retrato próximo) testou milhares de amostras de minerais para avaliar as suas propriedades de rectificação. Os cristais de silício da Westinghouse produziram alguns dos melhores resultados. Em 20 de agosto de 1906, ele registrou uma patente americana sobre “Meios de receber comunicação inteligente por ondas elétricas” para um detector de ponto de contato de silício (diodo) e foi concedido em novembro (veja a patente americana 836531 de Pickard). Com dois associados, Pickard fundou a Wireless Specialty Apparatus Company para comercializar detectores de rádio de cristal “cat’s-whisker”. Foi provavelmente a primeira empresa a fabricar e vender dispositivos semicondutores de silício. Outro inventor americano – Henry Dunwoody – recebeu a patente de um sistema usando um detector de ponto de contato feito de carborundum (carboneto de silício) apenas várias semanas após Pickard.

Em 1915 o físico americano Manson Benedicks descobriu que um cristal de germânio pode ser usado para converter corrente AC (corrente alternada) em DC (corrente contínua), ou seja, as propriedades retificadoras dos cristais de germânio. Assim, o germanium foi adicionado à lista de semicondutores. Até então, era uma pequena lista composta de silício, selênio e telúrio.

Em 1927 os americanos L.O. Grondahl e P.H. Geiger inventaram o retificador de óxido de cobre. A patente americana 1640335 foi emitida em 23 de agosto de 1927, para Grondahl.

Em 1925 o famoso inventor Julius Lilienfeld (veja a foto ao lado) apresentou um pedido de patente no Canadá, no próximo ano nos EUA, descrevendo um dispositivo, muito semelhante a um transistor MESFET, que ele chamou então de Método e Aparelho de Controle de Correntes Elétricas (veja a patente americana 1745175 de Lilienfeld).
Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963) foi uma pessoa notável na área da física e eletrônica. O judeu austríaco Lilienfeld nasceu em Lemberg, na Áustria-Hungria (agora chamado Lviv na Ucrânia). Ele foi educado (PhD em física) e viveu na Alemanha até meados dos anos 20, quando decidiu emigrar para os EUA. Além da patente acima mencionada para o primeiro transistor, ele foi titular de várias outras patentes neste campo – patente americana 1900018 “Device for controlling electric current” de 1928 para um transistor MOSFET de filme fino; patente americana 1877140 “Amplifier for electric currents” de 1928, para um dispositivo de estado sólido onde o fluxo de corrente é controlado por uma camada metálica porosa, uma versão em estado sólido do tubo de vácuo; patente americana 2013564 “Electrolytic condenser” de 1931, para o primeiro condensador eletrolítico. Quando Brattain, Bardeen e Shockley tentaram obter uma patente sobre seu transistor, a maioria de suas reivindicações foi rejeitada, nomeadamente devido às patentes de Lilienfeld.

Em 1934 outro cientista alemão-Oskar Heil (1908-1994), engenheiro elétrico e inventor, solicitou uma patente alemã para um dispositivo tipo transistor precoce, descrevendo a possibilidade de controlar a resistência em um material semicondutor com um campo elétrico, que ele chamou de Melhorias em ou relacionadas a amplificadores elétricos e outros arranjos e dispositivos de controle. Em 1935 Heil recebeu um britânico (veja o desenho próximo da patente britânica), patentes belgas e francesas para seu dispositivo.

Em 1939 William Shockley e Walter Brattain, pesquisadores do Bell Telephone Labs em Nova Jersey fizeram uma tentativa mal sucedida de construir um amplificador semicondutor inserindo uma minúscula grade de controle em uma camada de óxido de cobre. A Segunda Guerra Mundial pôs um fim às suas experiências. Em 1947, porém, o mesmo Brattain, desta vez junto com John Bardeen, inventou o transistor de ponto de contato (veja a foto próxima do primeiro transistor, feita pela Alemanha). William Shockley (o líder da equipe) não estava lá na época e não recebeu crédito pela invenção, o que o deixou muito irritado. Ainda bem. O transistor ponto-contacto era difícil de fabricar e não era muito fiável. Também não era o transistor que Shockley queria, então ele continuou a trabalhar em sua própria idéia que levou ao transistor de junção, que era mais fácil de fabricar e funcionava melhor. Bardeen e Brattain apresentaram um pedido de patente em 17 de junho de 1948 e a patente foi emitida em 3 de outubro de 1950 (veja a patente).

William Shockley solicitou sua primeira patente para o transistor de junção quase na mesma época E.U.A. A patente 2569347 foi apresentada em 26 de junho de 1948 e emitida em 25 de setembro de 1951 (veja a primeira patente de Shockley).

John Bardeen (1908-1991), William Bradford Shockley (1910-1989) e Walter Houser Brattain (1902-1987), (veja a foto inferior) compartilharam o Prêmio Nobel de Física em 1956 “por suas pesquisas sobre semicondutores e sua descoberta do efeito transistor”.

Bardeen (esquerda), Shockley (meio) e Brattain (direita)

Como funciona um transistor?

O desenho de um transistor permite que ele funcione como um amplificador ou um interruptor. Isto é conseguido usando uma pequena quantidade de eletricidade para controlar uma porta em uma fonte de eletricidade muito maior, como girar uma válvula para controlar um suprimento de água.
Os transístores são compostos de três partes, chamadas de base, um coletor e um emissor. A base é o dispositivo controlador da comporta para a maior fonte de energia elétrica. O colector é a maior fonte de alimentação eléctrica, e o emissor é a saída para essa alimentação. Ao enviar níveis variáveis de corrente a partir da base, a quantidade de corrente que flui através do portão a partir do coletor pode ser regulada. Desta forma, uma quantidade muito pequena de corrente pode ser usada para controlar uma grande quantidade de corrente, como em um amplificador. O mesmo processo é usado para criar o código binário para os processadores digitais, mas neste caso é necessário um limiar de voltagem de cinco volts para abrir a porta do coletor. Desta forma, o transistor está sendo usado como um switch com uma função binária: cinco volts-ON, menos de cinco volts-OFF.