A História do Circuito Integrado (ART4556)

Este artigo faz parte de um livro que publicamos nos anos 90. No entanto, como se trata de história, o que foi dito não mudou, apenas o ponto em que paramos. As tecnologias do circuito integrado evoluíram desde então e uma quantidade muito maior de componentes pode ser integrada em nossos tempos. O valor histórico do artigo é grande.

A válvula tríodo surgiu em 1906, inventada por Lee de Forest, que observando o fluxo de elétrons no interior de um tubo de vácuo a partir de um catodo carregado negativamente para um anodo positivo, acrescentou um terceiro eletrodo capaz de controlar este fluxo e, portanto, amplificar sinais.

A válvula de três elementos ou tríodo evoluiu dando origem a outros tipos de válvulas, com 4, 5 e mesmo mais elementos, e que se tornaram toda a base da eletrônica durante mais de 50 anos.

Rádios, amplificadores, televisores, tudo enfim que se podia então pensar em termos de eletrônica era feito com válvulas. No entanto, as válvulas tinham um sério inconveniente. Além de serem grandes e frágeis, pois eram formadas na sua maioria por tubos de vidro (alguns tipos metálicos visavam eliminar essa fragilidade para as aplicações militares ou mais críticas) precisam de grande quantidade de energia para funcionar. Veja na figura 1.

 

 


 

 

Para que o catodo interno produzisse o fluxo de elétrons ele precisava ser aquecido a centenas de graus o que era conseguido com a ajuda de um filamento, ligado numa fonte de energia auxiliar. Além disso, para termos um bom desempenho deste dispositivo, a tensão de alimentação necessária era da ordem de centenas de volts exigindo assim circuitos especiais.

Na figura 2 temos um amplificador típico usando uma válvula

 

 

 


 

 

Observe os valores altos das tensões envolvidas e dos demais componentes, bem diferentes dos que estamos acostumados com os transistores.

Entretanto, com o desenvolvimento natural de novas técnicas e circuitos logo criou-se a necessidade de se obter válvulas compactas ou que pudessem reunir diversas funções num único tubo.

Em primeiro lugar foram criadas válvulas miniatura que já resultaram num grande avanço para a época e que determinaram o aparecimento de rádios e outros aparelhos bem mais compactos.

Em seguida tivemos o aparecimento de um novo tipo de componente que já pode ser considerado como uma primeira tentativa de "integração" na eletrônica: a produção de válvulas duplas, triplas e até mesmo múltiplas.

Num único tubo de vidro, em lugar de se fabricar uma única válvula, já se produziam duas ou mais válvula, economizando-se assim tempo, espaço e matéria prima.

Na figura 3 temos uma válvula "compactron" que reunia 3 triodos e que por um bom tempo foi usada em televisores portáteis e outros aparelhos eletrônicos da época.

 


 

 

 

Uma tentativa interessante de se fazer o que hoje é comum, foi dada na mesma época com o que podemos chamar de "válvula integrada"

 

Se era possível colocar dentro de um invólucro duas ou mais válvulas, por que não já não fabricar num processo único e já interligados na função desejada os componentes passivos periféricos, como por exemplo resistores e capacitores de acoplamento.

Na figura 4 temos um interessante exemplo de "válvula integrada" que consistia num amplificador de dois estágios, já com os resistores de polarização e os capacitores de acoplamento.

 


 

 

 

No entanto, a tentativa não foi bem-sucedida com as válvulas por um simples motivo: a válvula trabalha quente e com isso os componentes passivos como resistores e capacitores que não resistem normalmente a temperaturas elevadas por muito tempo não suportavam as condições de operação e logo "pifavam".

A ideia foi boa, mas com a válvula não deu certo. Somente depois com o advento do transistor, em substituição das válvulas na maioria dos aparelhos é que a eletrônica pode tentar este novo salto na produção de algo mais funcional.

A ideia do transistor é relativamente antiga, mas o primeiro 'dispositivo prático foi criado em 1948 por três pesquisadores, Bardeen, Brattain e Shockley que, trabalhando nos laboratórios da Bell Telephone conseguiram finalmente desenvolver um "pequeno cristal que, sem necessidade de aquecimento, podia fazer o que as válvulas fazem com menor gasto de energia: amplificar ou gerar sinais.

O transistor como foi chamado, ou Transfer-Resistor passou então a ocupar um lugar de destaque na eletrônica, onde até hoje está, mesmo com o aparecimento dos modernos circuitos integrados.

Um transistor é fabricado numa pastilha de silício (ou germânio) a partir de diversos processos que formam regiões semicondutores de naturezas diferentes, como sugere a figura 5.

 


 

 

 

Assim, dependendo do modo como os materiais são difundidos temos transistores NPN e PNP e de acordo com o formato temos a possibilidade de trabalhar com pequenas ou grandes correntes (transistores de potência) ou ainda de conseguir altas velocidades no caso dos transistores de RF.

Mas, o transistor ainda é um componente único e para termos um equipamento completo precisamos de diversos transistores e também elementos adicionais de polarização e acoplamento. Assim, uma simples etapa amplificadora com transistor leva pelo menos 3 resistores de polarização, 2 capacitores de acoplamento e um capacitor de desacoplamento conforme mostra a figura 6.

 


 

 

Os equipamentos transistorizados facilmente evoluíram em sua complexidade resultando em rádios miniaturizados e em diversos outros tipos de equipamentos, mas isso não era o limite.

Se bem que o cristal onde temos o transistor propriamente dito não ocupe mais do que uns poucos milímetros, invólucro e terminais do componente são muito maiores, dificultando assim a obtenção de maior grau de miniaturização. Veja figura 7.

 


 

 

Uma ideia interessante, que até hoje é utilizada, e que foi o primeiro passo para a integração completa foi dado com o que chamamos de circuitos híbridos.

Com esta técnica o que se faz é o seguinte:

Fabricamos transistores, resistores, diodos e capacitores, mas sem seus invólucros. Montamos estes componentes numa base única e já os interligamos de modo a resultar na função que queremos, como por exemplo um amplificador. Depois, basta encapsular tudo num invólucro único.

Na figura 8 temos exemplos de dois amplificadores híbridos de firmas bastante conhecidas pela operação neste setor.

 


 

 

 

A Sanken e a Sanyo (*) produzem uma ampla variedade de circuitos híbridos que vão desde amplificadores de áudio completos de potências que podem chegar a mais de 50 watts até circuitos para acionamento de motores, fontes, etc.

 

(*) Na época em que o artigo foi escrito.

 

É claro que esta tecnologia ainda tem alguns inconvenientes que podem ser superados por uma técnica mais avançada, no caso a do integrado.

Um deles está no fato de que o processo de fabricação em separado, mesmo sem invólucro ainda é complexo e os componentes têm um limite para o grau de miniaturização que alcançam.

Outro inconveniente, este também encontramos nos integrados comuns, está no fato de que temos um invólucro único e inviolável para todos os componentes. Se um único dos componentes interno sofre avaria não podemos substituído. Nossa única alternativa será a substituição do circuito híbrido na sua totalidade.

Veja que, como estes circuitos híbridos já são fabricados com todos os seus componentes internos interligados de determinada forma, ou seja, formando um circuito como um amplificador, eles não podem ser usados para qualquer outra finalidade. Assim, um circuito híbrido de um amplificador de 20 watts só serve para esta finalidade e só pode ser usado numa determinada configuração com poucas variações.

As variações envolvem normalmente os valores de componentes periféricos que, ou não podem ser integrados ou ainda cuja possibilidade de se poder alterar o valor pode ser interessante em função de sua aplicação.

Dentre os componentes que não podem ser colocados com facilidade num circuito híbrido pois o invólucro é obrigatório estão os capacitores eletrolíticos que, por isso constituem-se na grande maioria dos componentes periféricos para estes componentes, como atesta o exemplo de aplicação da figura 9.

Observe que transistores, resistores e diodos, em sua maioria fazem parte do próprio circuito híbrido.

 


 

 

 

Observe também que, pela grande potência de trabalho, o componente vem num invólucro de grandes dimensões que pode ser montado facilmente num radiador de calor de boas dimensões.

O conceito de circuito integrado propriamente dito apareceu em 1952 com a proposição de G.W.A. Dummer, da Inglaterra que num simpósio em Washington apresentou a ideia de se fabricar em blocos todos os componentes interligados formando uni circuito completo, no mesmo material em que os transistores eram fabricados, ou seja, o silício.

Os componentes seriam formados em camadas e conectados diretamente através de cortes especiais.

De fato, a possibilidade de se fazer isso na prática somente ocorreu depois.

Inicialmente aproveitou-se a possibilidade de se utilizar um único cristal não para fazer um transistor, mas para fazer dois ou mais transistores já interligados de determinada forma. Os Darlingtons e os "Arrays" foram então colocados à disposição do projetista, conforme sugere a figura 10.

A patente do circuito integrado propriamente dito foi concedida a WS. Kilby dos Estados Unidos em 1959, e os primeiros tipos comerciais começaram a aparecer em 1960.

Assim, componentes que já incluíam resistores e diodos apareceram no mercado, por iniciativa de diversos grandes fabricantes americanos.

Os amplificadores operacionais foram os principais componentes da série inicial. Tanto pela Texas Instruments como pela Westinghouse. Em 1964 a Fairchild lançava o 702 e depois vinha o 709 que agora é substituído pelo "famoso" 741.

 

 


 

 

 

Naquela época os circuitos integrados tinham no máximo uns 10 transistores e pouco mais de diodos, resistores e eventualmente outros componentes. No entanto, a evolução foi rápida e técnicas novas permitiram um aumento na densidade dos componentes e consequentemente na complexidade dos circuitos que poderiam ser fabricados num processo único, Veja figura 11.

 


 

 

 

Passamos primeiramente a circuitos com dezenas de transistores, para chegar a centenas e hoje já temos memórias com milhões.

O invólucro DIL, que é o mais popular atualmente foi inventado por Bryant Rogers nos Estados Unidos em 1964, e o primeiro tipo tinha 14 pinos exatamente como hoje, para muitos modelos conhecidos. Veja figura 12.

 


 

 

 

O advento de novas técnicas de integração que permitem a fabricação de até milhões de componentes interligados numa simples pastilha de silício, levando-nos a calculadoras, rádios, microcomputadores de tamanhos extremamente pequenos nos mostra para onde vamos, mas não nos diz até onde podemos chegar. (*)

 

(*) Na época em que recuperamos este artigo – 2020 – já podem ser integrados bilhões de transistores num chip.

 

Se hoje podemos dispor de rádios tão pequenos corno um relógio, de calculadoras igualmente pequenas, de agendas com memórias enormes que cabem no bolso isso se deve ao circuito integrado.

Funções que antes eram exercidas por tantos componentes que se tornavam antieconômicas, hoje podem ser encontradas na maioria dos aparelhos eletrodomésticos e eletrônicos a baixo custo com um conforto muito maior para usuário, mas ao mesmo tempo exigindo um preparo especial cio técnico reparador.

 


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