Walter H. Brattain Fatos


O físico americano Walter H. Brattain (1902-1987), um co-inventor do transistor, dedicou grande parte de sua vida à pesquisa sobre estados de superfície.<

Embora tenha nascido em Amoy, China (10 de fevereiro de 1902), Walter Houser Brattain passou a primeira parte de sua vida no noroeste dos Estados Unidos. Ele foi criado no estado de Washington em uma fazenda de gado de seus pais, Ross R. Brattain e Ottilie Houser, e obteve seu bacharelado em física e matemática no Whitman College em Walla Walla, Washington. Brattain obteve essa graduação em 1924 e um mestrado pela Universidade de Oregon em 1926. Ele então se mudou para o leste, obtendo seu Ph.D. em física na Universidade de Minnesota em 1929. O conselheiro de Brattain foi John T. Tate, e sua tese foi sobre o impacto dos elétrons no vapor de mercúrio. Em 1928 e 1929 ele trabalhou no National Bureau of Standards em Washington, D.C., e em 1929 foi contratado pela Bell Telephone Laboratories.

As preocupações da Brattain nos Laboratórios Bell nos anos anteriores à Segunda Guerra Mundial foram primeiro na física das superfícies de tungstênio e depois nas superfícies dos semicondutores óxido cuproso e silício. Durante a Segunda Guerra Mundial Brattain dedicou seu tempo ao desenvolvimento de métodos de detecção de submarinos sob um contrato com o Conselho Nacional de Pesquisa de Defesa da Universidade de Columbia.

Ao acompanhar a guerra, Brattain retornou aos Laboratórios Bell e logo se juntou à divisão de semicondutores do recém-organizado Departamento de Estado Sólido dos laboratórios. William Shockley foi o diretor da divisão de semicondutores, e no início de 1946 ele iniciou uma investigação geral de semicondutores que se destinava a produzir um amplificador de estado sólido prático.

Cristais de semicondutores puros (tais como silício ou germânio) são condutores muito pobres à temperatura ambiente porque a energia que um elétron deve ter para ocupar um nível de energia de condução é consideravelmente maior do que a energia térmica disponível para um elétron em tal cristal. O aquecimento de um semicondutor pode excitar elétrons em estados de condução, mas é mais prático aumentar a condutividade adicionando impurezas ao cristal. Um cristal pode

ser dopado com uma pequena quantidade de um elemento com mais elétrons do que o semicondutor, e esses elétrons em excesso estarão livres para se moverem através do cristal; tal cristal é um n-type semiconductor. Pode-se também adicionar ao cristal uma pequena quantidade de um elemento com menos elétrons do que o semicondutor, e as vagas de elétrons, ou furos, assim introduzidos, estarão livres para se mover através do cristal como elétrons com carga positiva; tal cristal dopado é um p-type semiconductor.

Na superfície de um semicondutor o nível da faixa de condução pode ser alterado, o que aumentará ou diminuirá a condutividade do cristal. As junções entre metais e semicondutores do tipo n ou p, ou entre os dois tipos de semicondutores, têm propriedades de condução assimétricas, e as junções semicondutoras podem, portanto, ser usadas para retificar correntes elétricas. Em um retificador, um viés de tensão que produz um fluxo de corrente na direção de baixa resistência é um viés para frente, enquanto um viés na direção oposta é um viés inverso.

Retificadores semicondutores eram dispositivos familiares no final da Segunda Guerra Mundial, e Shockley esperava produzir um novo dispositivo que tivesse uma resistência variável e, portanto, pudesse ser usado como um amplificador. Ele propôs um projeto no qual um campo elétrico era aplicado sobre a espessura de uma laje fina de um semicondutor. A condutividade do semicondutor mudou apenas por uma pequena fração da quantidade esperada quando o campo foi aplicado, o que John Bardeen (outro membro da divisão de Shockley) sugeriu, devido à existência de estados de energia para elétrons na superfície do semicondutor. As cargas que ocupam tais estados formariam uma camada que separava o interior do semicondutor dos campos externos e reduziriam drasticamente qualquer efeito sobre a condutividade de tais campos. Brattain empreendeu a investigação das propriedades dos estados de superfície, e no decorrer de suas experiências ele e Bardeen descobriram um meio de construir um amplificador de estado sólido que era distinto do dispositivo de efeito de campo de Shockley.

Brattain iniciou suas experiências medindo a mudança no potencial da superfície de um cristal de silício (com referência a um eletrodo perto daquela superfície) quando este foi exposto à luz. Brattain descobriu posteriormente que, ao introduzir um eletrólito entre seu eletrodo de referência e a superfície do semicondutor e aplicar um viés ao eletrodo, ele poderia influenciar grandemente o potencial produzido pela iluminação do semicondutor. Ele e Bardeen concluíram que os íons no eletrólito migraram para a superfície do semicondutor e anularam o efeito da carga superficial já ali existente. Tornou-se então possível observar o efeito de campo de Shockley.

Brattain e Bardeen em seguida introduziram um segundo eletrodo em seus aparelhos, que era um ponto de contato no semicondutor que era isolado do eletrólito. Seu semicondutor era uma fina camada de silício tipo n sobre um bloco de silício tipo p, e descobriram que um aumento do viés no primeiro eletrodo na direção dianteira produziria uma diminuição da corrente fluindo para o ponto de contato sob um viés inverso. Houve alguma amplificação observada neste circuito (e em outros similares usando silício e germânio), mas os fatores eram pequenos, e os eletrólitos usados não permitiam uma boa resposta em altas freqüências.

Bardeen e Brattain esperavam melhorar seus dispositivos usando uma película de ouro no lugar do eletrólito, e pretendiam isolá-lo do semicondutor (neste caso um bloco de germânio tipo n) por meio de uma camada de óxido em cima do germânio. O revestimento de óxido foi inadvertidamente lavado e a película de ouro entrou em contato com o germânio. Foi com este arranjo que um novo efeito foi observado. Um viés de avanço sobre a película de ouro aumentou a corrente que fluía até o contato pontual, o que foi o efeito oposto do que havia sido observado anteriormente. Brattain e Bardeen supunham que havia uma corrente de furos fluindo da película de ouro para o semicondutor, e depois para o ponto de contato. O novo efeito amplificador foi denominado efeito transistor.

Bardeen sugeriu que a película de ouro e o contato pontual poderiam ser substituídos por dois contatos estreitamente espaçados. Brattain construiu os dois contatos enrolando a fita de ouro ao redor da ponta de uma cunha de poliestireno e raspando o ouro para longe da ponta da cunha. A cunha era então pressionada contra um bloco de germânio tipo n. Em 16 de dezembro de 1947, o dispositivo foi incorporado a um pequeno amplificador que tinha um ganho de mais de 18 e uma boa resposta de freqüência. Uma semana depois, o amplificador foi demonstrado para o pessoal dos Laboratórios Bell, embora um anúncio público não tenha sido feito até junho de 1948. Por sua invenção, Brattain, Bardeen e Shockley receberam o Prêmio Nobel de Física de 1956. Brattain também recebeu a Medalha Stuart Ballantine, a Medalha John Scott, e em 1974 foi empossado no Hall da Fama dos Inventores Nacionais.

Brattain continuou a realizar pesquisas de semicondutores nos Laboratórios Bell até se aposentar em 1967. Entre 1962 e 1972 ele freqüentemente ministrou cursos no Whitman College, e de 1965 até 1975 ele participou de um programa de pesquisa para modelar membranas celulares como camadas fosfolípidas.

Brattain foi eleito para a Academia Nacional de Ciências em 1959 e recebeu muitas outras honras. Em 1935 ele se casou com Keren Gilmore, e o casal teve um filho. Após a morte de sua primeira esposa, Brattain casou-se com Emma Jane Kirsch Miller em 1958. Brattain viveu na aposentadoria no estado de Washington.

Em 13 de outubro de 1987, Brattain morreu em Seattle, Washington, mas não sem deixar um legado permanente. Em seu perfil de janeiro de 1997 de 25 visionários, Workforce citou Brattain, junto com seus co-inventores Bardeen e Shockley. “AT&T’s Bell Laboratories tem,” o artigo declarou, “gerado numerosas invenções, mas nenhuma mais significativa do que o transistor … hoje, o transistor serve como o bloco básico de construção de toda a eletrônica de estado sólido”. No final dos anos 90, a invenção de Brattain podia ser encontrada em telefones celulares, aparelhos de fax, computadores, câmeras automáticas, satélites e muitos outros dispositivos eletrônicos.

Leitura adicional sobre Walter H. Brattain

A invenção do transistor foi descrita por Lillian Hoddeson em seu artigo “The discovery of the point-contact transistor, ” Historical Studies in the Physical Sciences, 12 (1981-1982). Bardeen, Shockley, e Brattain também relatam

suas experiências em seus discursos Nobel: John Bardeen, “Semiconductor research leading to the point contact transistor;” William Shockley, “Transistor technology evokes new physics;” e Walter H. Brattain, “Surface properties of semiconductor,” tudo em Nobel Lectures: Physics, 1942-1962 (Amsterdã, 1964). Em anexo a cada um destes endereços está uma pequena biografia do autor.

A discussão de Bardeen sobre estados de superfície de semicondutores apareceu no artigo “Estados de superfície e retificação em um contato de semicondutor metálico”, Revisão Física, 71 (1947). A primeira descrição publicada do transistor é o artigo de Bardeen e Brattain “The transistor, a semi-conductor triode, ” Revisão Física, 74 (1948).


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