O que um transistor faz
Um transistor é ao mesmo tempo bastante simples e muito complexo. Vamos começar com a parte simples: ele é um componente eletrônico em miniatura que pode fazer dois trabalhos diferentes, funcionar como um amplificador ou um interruptor. Quando funciona como um amplificador, ele recebe uma pequena corrente elétrica em uma extremidade (uma corrente de entrada) e produz uma corrente elétrica muito maior (uma corrente de saída) na outra. Em outras palavras, é um tipo de impulsionador de sinal. Isso é muito útil em dispositivos como aparelhos auditivos, uma das primeiras coisas nas quais os transistores foram utilizados. Um aparelho auditivo tem um pequeno microfone que capta sons do mundo ao seu redor e os transforma em correntes elétricas flutuantes. Eles são alimentados em um transistor que os impulsiona e aciona um pequeno alto-falante, então você ouve uma versão muito mais alta dos sons ao seu redor. William Shockley, um dos inventores do transistor, explicou uma vez aos alunos amplificadores de transistores de uma maneira mais humorística: Os transistores também podem funcionar como interruptores. Uma pequena corrente elétrica que flui através de uma parte de um transistor pode fazer um fluxo de corrente muito maior através de outra parte dele. Em outras palavras, a pequena corrente liga a maior. Isto é essencialmente como todos os chips de computador funcionam. Por exemplo, um chip de memória contém centenas de milhões ou até bilhões de transistores, cada um dos quais pode ser ligado ou desligado individualmente. Como cada transistor pode estar em dois estados distintos, ele pode armazenar dois números diferentes, zero e um. Com bilhões de transistores, um chip pode armazenar bilhões de zeros e uns, e quase tantos números e letras comuns (ou caracteres, como nós os chamamos). O melhor de máquinas antigas era que você poderia separá-las para descobrir como elas funcionavam. Nunca foi muito difícil, com um pouco de empurrar aqui e mexer ali, descobrir que bit fez o que e como uma coisa levou a outra. Mas a eletrônica é totalmente diferente. A eletrônica estuda o uso de elétrons para controlar a eletricidade. Um elétron é uma partícula minúscula dentro de um átomo. É tão pequeno que pesa pouco menos de 0,000000000000000000000000000001 kg! Os transistores mais avançados funcionam controlando os movimentos de elétrons individuais – para que você possa imaginar o quão pequenos eles são. Em um chip de computador moderno, do tamanho de uma unha, você provavelmente encontrará entre 500 milhões e dois bilhões de transistores separados. Não há chance de separar um transistor para descobrir como ele funciona, então temos que entendê-lo com teoria e imaginação. Primeiramente, precisamos saber de que é feito um transistor.
Como um transistor é feito
Os transistores são feitos de silício, um elemento químico encontrado na areia que normalmente não conduz eletricidade (não permite que os elétrons fluam facilmente). O silício é um semicondutor, o que significa que não é realmente um condutor (algo como um metal que deixa a eletricidade fluir), nem um isolante (algo parecido com um plástico que impede o fluxo de eletricidade). Se tratarmos o silício com impurezas (um processo conhecido como doping), podemos fazer com que ele se comporte de uma maneira diferente. Se usarmos o silício com os elementos químicos arsênico, fósforo ou antimônio, o silício ganha alguns elétrons “livres” – os que podem carregar uma corrente elétrica -, de modo que os elétrons fluirão com mais naturalidade. Como os elétrons têm carga negativa, o silício tratado dessa forma é chamado de tipo n (tipo negativo). Também podemos usar silicone com outras impurezas, como boro, gálio e alumínio. O silício tratado dessa maneira tem menos desses elétrons “livres”, então os elétrons em materiais próximos tendem a fluir para dentro dele. Nós chamamos esse tipo de tipo p de silício (tipo positivo). Porém, também é importante notar que nem o silício do tipo n ou do tipo p realmente tem uma carga em si: ambos são eletricamente neutros. É verdade que o silício tipo n tem elétrons “livres” extras que aumentam sua condutividade, enquanto o silício tipo p tem menos elétrons livres, o que ajuda a aumentar sua condutividade de maneira oposta. Em cada caso, a condutividade extra vem da adição de átomos neutros (não carregados) de impurezas ao silício, que era neutro para começar – e não podemos criar cargas elétricas fora do ar! Uma explicação mais detalhada precisaria de mim para introduzir uma idéia chamada teoria da banda, que está um pouco além do escopo deste artigo. Tudo o que precisamos lembrar é que “elétrons extras” significam elétrons extra-livres – aqueles que podem circular livremente e ajudar a transportar uma corrente elétrica.
Sanduíches de silicone
Existem dois tipos diferentes de silício. Se os colocarmos juntos em camadas, fazendo sanduíches de material do tipo p e do tipo n, podemos fazer diferentes tipos de componentes eletrônicos que funcionam de todas as maneiras. Suponha que nós juntamos um pedaço de silício tipo n a um pedaço de silício tipo p e colocamos contatos elétricos em ambos os lados. Coisas excitantes e úteis começam a acontecer na junção entre os dois materiais. Se ligarmos a corrente, podemos fazer com que os elétrons fluam através da junção do lado do tipo n para o lado do tipo p e para fora através do circuito. Isso acontece porque a falta de elétrons no lado tipo p da junção atrai os elétrons do lado do tipo n e vice-versa. Mas se invertermos a corrente, os elétrons não fluirão. O que fizemos aqui é chamado de diodo (ou retificador). É um componente eletrônico que deixa a corrente fluir em uma única direção. É útil se você quiser transformar a corrente elétrica alternada (de duas vias) em corrente direta (unidirecional). Diodos também podem ser feitos para que eles emitam luz quando a eletricidade flui através deles. Estes diodos emissores de luz (LEDs) já estão presentes em telas de TVs, monitores, de smartphones e tablets e telas (e até mesmo nas lâmpadas), proporcionando uma imagem de maior qualidade e gerando um consumo de energia muito menor que as tecnologias usadas anteriormente nestes tipos de aparelhos.
Como os transistores funcionam em computadores
Na prática, você não precisa saber nada sobre elétrons e eletrônica em geral, a menos que você projete chips de computador para ganhar a vida. Tudo o que você precisa saber é que um transistor funciona como um amplificador ou um interruptor, usando uma pequena corrente para ligar um amplificador. Mas há outra coisa que vale a pena conhecer: como tudo isso ajuda os computadores a armazenar informações e tomar decisões? Podemos colocar alguns interruptores de transistor juntos para fazer algo chamado de porta lógica, que compara várias correntes de entrada e dá uma saída diferente como resultado. As portas lógicas permitem que os computadores tomem decisões muito simples usando uma técnica matemática chamada álgebra booleana. Seu cérebro toma decisões do mesmo jeito. Por exemplo, usando “entradas” (coisas que você sabe) sobre o tempo e os seus compromissos, você pode tomar uma decisão como esta: “Se estiver chovendo E eu tiver um guarda-chuva, eu irei ao mercado”. Esse é um exemplo de álgebra booleana usando o que é chamado de AND “operador” (o operador de palavra é apenas um pouco de jargão matemático para fazer as coisas parecerem mais complicadas do que realmente são). Você pode tomar decisões semelhantes com outros operadores. “Se está ventando OU está nevando, então eu vou colocar um casaco” é um exemplo de usar um operador OR. Ou como sobre “Se está chovendo E eu tenho um guarda-chuva OU eu tenho um casaco, então não há problema em sair”. Usando AND, OR e outros operadores chamados NOR, XOR, NOT e NAND, os computadores podem adicionar ou comparar números binários. Essa ideia é a pedra fundamental dos programas de computador: a série lógica de instruções que fazem os computadores executarem todos os tipos de tarefas. Normalmente, um transistor de junção é “desligado” quando não há corrente de base e muda para “ligado” quando a corrente de base flui. Isso significa que é necessária uma corrente elétrica para ligar ou desligar o transistor. Mas transistores como esse podem ser conectados com portas lógicas para que suas conexões de saída retornem às suas entradas. O transistor fica ligado mesmo quando a corrente base é removida. Cada vez que uma nova corrente de base flui, o transistor “liga” ou desliga. Ele permanece em um desses estados estáveis (ligado ou desligado) até que outra corrente apareça e vire para o outro lado. Esse tipo de arranjo é conhecido como um flip-flop e transforma um transistor em um dispositivo de memória simples que armazena um zero (quando está desligado) ou um (quando está ligado). Os flip-flops são a tecnologia básica por trás dos chips de memória do computador. Quem poderia imaginar que uma peça tão pequena seria responsável por grande parte de nossa tecnologia atual? Se não fosse pela capacidade simples mas poderosa dos transistores, provavelmente você não estaria lendo esse texto hoje.
