A ciência e quimica envolvida nesta tecnologia. Como funcionam e operam

1. Discos de Estado Sólido III: Transistores e memórias
Na coluna anterior vimos o que é e como funcionam os materiais
semicondutores e chegamos a examinar uma de suas aplicações práticas, o
diodo. Na de hoje veremos a mais importante delas, o transistor, um pequeno
dispositivo que mudou o perfil de nossa sociedade e garantiu o Prêmio Nobel
para seus inventores, William Shockley, Walter Brattain e John Bardeen em
1956,
menos
de
uma
década
após
tê-lo
inventado.
Para não fugir muito do assunto desta série a explicação será dada de forma
resumida e usando como exemplo um tipo particular de transistor, o MOSFET,
por ser de longe o tipo mais comum nos circuitos eletrônicos digitais. A quem
tiver interesse em informações mais detalhadas, sugiro uma visita à Wikipedia
para consultar o verbete MOSFET (acrônimo de Metal-Oxide-Semiconductor
Field-Effect Transistor, ou transistor de efeito de campo de semicondutor de
óxido
metálico).
Para explicar o funcionamento de um transistor MOSFET usaremos como
protótipo um transistor do tipo NPN, formado por duas regiões de material
semicondutor tipo N (onde “sobram” elétrons), separadas por uma região de
material semicondutor tipo P (onde “faltam” elétrons), imersas em um
substrato de material semicondutor sem impurezas (em geral o silício).
Um transistor nada mais é que a justaposição de três camadas de material
semicondutor, sendo a do meio – sempre menos espessa – de tipo diferente
das
camadas
das
extremidades.
Transistores formados pela inserção de uma camada tipo N entre duas camadas
tipo P denominam-se transistores PNP. Evidentemente, transistores formados
pela inserção de uma camada tipo P entre duas camadas tipo N chamar-se-ão
NPN e, por serem mais comuns, serão usados aqui para explicar seu
funcionamento.
Um transistor NPN pode ser representado esquematicamente pela figura 1.
clique
Figura
aqui
1:
para
ver
em
Transistor
alta
resolução
NPN
Do ponto de vista do fluxo de corrente elétrica em seu interior, um transistor
NPN pode ser considerado como dois diodos justapostos que compartilham a
região do anodo. O terminal ligado a esta região (de material P) chama-se
“base”. Os outros dois terminais, ligados às regiões de material N, chamam-se
“coletor” e “emissor”. Na configuração usual, a junção emissor-base funciona
com polarização direta enquanto a junção base-coletor funciona com
polarização reversa (calma que logo veremos um exemplo esclarecedor).

2. Nesta configuração o emissor permanece sempre aterrado (ligado à terra). O
coletor, por sua vez, será sempre alimentado com tensão positiva. A base
funcionará como terminal de controle e pode ou não ser alimentada. Mas,
quando o for, será sempre com tensão positiva e muito menor que a aplicada
ao coletor. Veja, na figura 2, um diagrama esquemático destas configurações
nas quais, na ilustração do lado esquerdo da figura, a base não recebe qualquer
tensão (o interruptor que a alimenta está aberto) enquanto que, na do lado
direito, com o interruptor fechado, a base é alimentada, porém com uma
tensão menor que a aplicada ao coletor devido à presença do resistor R que
reduz a tensão.
clique
Figura
2:
aqui
para
ver
em
Transistor
NPN:
conduzindo
alta
e
não
resolução
conduzindo
No que toca ao fluxo de corrente elétrica, como se comporta a configuração
representada na ilustração da esquerda da figura 2? Bem, o emissor está ligado
à terra (ou ao pólo negativo da bateria, o que dá no mesmo), e isto repele os
elétrons livres do material N, empurrando-os para perto da junção emissorbase. Mas a base não recebe qualquer tensão (o interruptor que a alimenta
está aberto) e as lacunas, difusamente espalhadas na região tipo P da base,
não se concentram nas proximidades da junção base-emissor para forçar a
passagem da corrente. No lado oposto, o coletor está ligado ao terminal
positivo da bateria, o que atrai os elétrons, levando-os para longe da junção
coletor-base. Portanto, nenhuma corrente flui através do transistor, que
funciona como um isolante (ou melhor: como uma “chave”, ou interruptor,
aberto).
Agora vejamos o que ocorre quando aplicamos à base uma pequena tensão
positiva (pequena porque o resistor R situado entre o pólo positivo da bateria e
o interruptor que alimenta a base provoca uma queda de tensão). Agora, o
diodo formado pela junção base-emissor está polarizado diretamente. E um
diodo assim polarizado conduz corrente. Esta corrente, embora de pequena

3. intensidade (Ib, ou corrente de base), injeta cargas positivas na região de
material P da base. Estas cargas positivas se difundem através da base e,
devido à pequena espessura do material P que a constitui, logo a saturam, se
acumulando nas proximidades da junção base-coletor. Este acúmulo de cargas
positivas acaba por atrair os elétrons livres da região de material N do coletor.
O resultado disto é que a resistência da junção base-coletor é vencida e
estabelece-se uma corrente entre coletor e base, produzindo uma concentração
de cargas negativas nesta base, formando um “canal-N” no interior do material
tipo P, o que acaba por provocar uma corrente (Ic) de grande intensidade
(devido à elevada tensão aplicada ao coletor) que atravessa a base e se
propaga para o emissor, atravessando assim todo o transistor, que passa a
conduzir (funcionando como um condutor, ou melhor: como uma “chave”, ou
interruptor,
fechado).
Portanto um transistor NPN como o mostrado na figura 2 atua como um
interruptor eletrônico controlado pela base. Se há tensão aplicada à base o
transistor conduz. Se não há, este mesmo transistor funciona como um
isolante.
O processo de fabricação adotado para os circuitos integrados modernos usa
um substrato de cristal de silício puro no qual se acrescentam impurezas para
produzir as regiões tipo P e tipo N às quais se conectam contatos elétricos. A
superfície deste conjunto é revestida com uma fina camada isolante,
geralmente de dióxido de silício. A espessura da camada de silício é da ordem
de dezenas de nanômetros. A figura 3 mostra o diagrama esquemático de um
transistor NPN fabricado de acordo com este processo.
clique
Figura
aqui
para
3:
Transistor
ver
NPN
–
em
alta
diagrama
resolução
esquemático
Na descrição acima o transistor funciona como interruptor eletrônico, ou
“chaveador de corrente”, seu uso predominante na eletrônica digital. Mas em
muitas aplicações, principalmente analógicas, ele funciona como amplificador
de corrente. Isto porque a intensidade da corrente Ic, além de bastante maior,
é diretamente proporcional à intensidade da corrente Ib. Portanto, quanto
maior a tensão aplicada à base, maior a corrente que atravessa o transistor.
Fato do qual nos aproveitaremos adiante para entender o funcionamento das
células
de
memória
tipo
flash
MLC.

4. Mas, e já que falamos nela, o que tudo isto tem a ver com a memória flash?
Bem, uma célula de memória não volátil (ou seja, um dispositivo capaz de
armazenar um bit, ou assumir dois estados mutuamente exclusivos dos quais
um pode ser atribuído ao valor “um” e o outro ao valor “zero” e manter estes
valores mesmo quando não alimentado eletricamente) tipo flash é muito
parecida com um transistor MOSFET. Repare na figura 4.
clique aqui para ver em alta resolução
Figura 4: Célula de memória flash
Como se vê, a única diferença estrutural entre o transistor MOSFET e a célula
de memória flash é a presença, nesta última, de uma segunda base
denominada “base flutuante” ou “porta flutuante” (FG, de “floating gate”). É
claro que existem outras e importantes diferenças no que toca à estrutura e ao
processo de fabricação, mas no que diz respeito ao funcionamento da célula de
memória, as características essenciais são as exibidas na figura.
Pois é justamente o acréscimo da base flutuante que permite a um simples
transistor, de natureza tipicamente volátil (só funciona se alimentado com
energia elétrica) se transformar em uma célula de memória não volátil,
adquirindo a propriedade de preservar a informação que armazena mesmo
quando não alimentado. Vejamos como isso é possível.
Na célula de memória flash a base convencional – que recebe o nome de “porta
de controle” (CG, de “control gate”) – se conecta eletricamente ao exterior do
transistor, o que permite que nela seja aplicada a tensão de controle. Já a porta
flutuante FG permanece inteiramente imersa na camada de isolante, portanto
não está eletricamente conectada a qualquer outro componente interno ou
externo. O que traz uma conseqüência mais que desejável: caso se consiga
uma forma de carregá-la eletricamente, as cargas elétricas serão ali mantidas
por anos a fio, já que não têm por onde escapar da FG.
Vimos que, nos transistores MOSFET, a capacidade de conduzir ou não corrente
elétrica entre coletor e emissor depende de haver ou não uma tensão aplicada
à base. Mas no caso da célula de memória da figura 4, como controlar esta
capacidade de conduzir corrente?
A resposta mais simples e direta é: exatamente como nos transistores, pela

5. presença de uma tensão na porta situada entre os dois terminais.
Mas ocorre que, neste caso particular, esta porta é a FG, completamente
isolada dos demais componentes. Como aplicar uma tensão a um componente
eletricamente isolado?
A solução é simples: basta alimentar por um curto período a outra porta, a
chamada porta de controle CG, com uma elevada tensão elétrica (sempre maior
que 5 V, podendo chegar a 12 V). Esta elevada tensão faz com que a
propriedade dos meios semicondutores denominada “injeção à quente de
portadores” (ver tópico "Hot carrier injection” na Wikipedia) permita que cargas
elétricas ganhem energia cinética suficiente para fazê-las “saltar” através do
meio isolante, neste caso a fina película de dióxido de silício situada entre CG e
FG. O resultado disso é que FG recebe cargas elétricas positivas.
Este fato traz duas conseqüências. A primeira é que a presença desta carga (ou
tensão) elétrica no eletrodo situado entre coletor e emissor (no caso, a base
flutuante, ou FG) faz com que o transistor se torne condutor, ou seja, caso se
aplique uma tensão ao coletor com o emissor ligado à terra, uma corrente
elétrica se estabelecerá entre ambos através do chamado “canal n” induzido
pela presença de tensão em FG (exatamente como nos transistores MOSFET). A
segunda conseqüência é justamente aquela que transforma este dispositivo em
uma célula de memória não volátil: como as cargas migraram para FG, o “canal
n” não se desfaz quando a tensão aplicada a CG é removida. Isto porque a
formação deste canal não depende da presença de cargas em CG, mas
daquelas que “saltaram” para a FG e que de lá não podem escapar sem atuação
de um agente externo. Portanto, enquanto permanecer neste estado, o
transistor conduzirá corrente sempre que uma tensão for aplicada a seu
terminal coletor e seu terminal emissor estiver “aterrado”.
Mas para que o dispositivo efetivamente atue como uma célula de memória não
volátil, ele deve permitir que este estado seja alterado quando desejado. O que
de fato pode ser feito aterrando CG e aplicando uma tensão elétrica ao coletor
enquanto se mantém aberta a conexão do emissor com a terra. Isto
corresponde a aplicar uma diferença de potencial entre FG e CG no sentido
oposto à anteriormente aplicada, o que expulsará as cargas elétricas retidas na
base flutuante FG devido ao princípio conhecido por “efeito túnel” (“quantum
tunneling”), um fenômeno da mecânica quântica que se estabelece em escala
nanoscópica e permite que partículas atravessem barreiras de impedância
maior que sua energia cinética, violando assim os princípios da mecânica
clássica (veja tópico "Quantum tunnelling” da Wikipedia). Isto fará com que a
FG perca as cargas elétricas previamente acumuladas, fazendo com que o
dispositivo volte a não conduzir corrente entre coletor e emissor mesmo que
exista uma diferença de potencial entre eles.
Complicou?
Bem, desta vez sou obrigado a concordar: complicou mesmo. Conceitos de
mecânica quântica não são o recheio usual de colunas como esta – mesmo
porque meus conhecimentos sobre o tema mal chegam a arranhar sua
superfície. Mas podemos simplificar e reduzir significativamente o nível de
complexidade fazendo com que, mesmo quem não percebeu patavina (gostou
da palavra? existe, e qualquer baiano que se preze a conhece) do que foi acima
explicado consiga entender como funciona uma célula de memória flash.

6. Simplifiquemos, pois.
Volte a examinar a Figura 4 e tenha em mente o que aprendemos sobre
transistores MOSFET. Repare que ela mostra um componente que consiste
essencialmente de quatro elementos: coletor, emissor, base de controle CG e
base flutuante FG.
Imagine que não exista qualquer carga elétrica na base flutuante FG. Neste
caso, mesmo que liguemos o coletor a uma fonte de tensão e o emissor à terra,
não haverá corrente entre coletor e emissor. E se repetirmos a experiência
infinitas vezes, infinitas vezes constataremos que, neste estado, o dispositivo
não conduz corrente.
Agora imagine que por alguns instantes se aplique uma elevada tensão elétrica
à base CG. Esta tensão é tão elevada e a capacidade de isolamento da fina
camada de dióxido de silício situada entre base CG e base flutuante FG é tão
pequena, que cargas elétricas saltarão de uma para a outra, carregando a FG.
A partir de então (lembre do transistor MOSFET!), caso se venha a aplicar uma
diferença de potencial elétrico entre coletor e emissor, o dispositivo conduzirá
corrente. E, como a base flutuante está eletricamente isolada dos demais
componentes, a carga permanecerá cativa em seu interior. Assim sendo,
enquanto este estado não se alterar, se repetirmos a experiência infinitas
vezes, infinitas vezes constataremos que, neste estado, o dispositivo conduz
corrente. E apenas deixará de conduzir, revertendo ao estado anterior, caso
venha a se aterrar a base e aplicar uma tensão elétrica no coletor.
Pronto: aí está uma célula de memória não volátil rudimentar. Confira: pode
assumir dois estados mutuamente exclusivos (conduzir ou não conduzir
corrente entre dois terminais determinados); permite que estes dois estados
sejam alterados quando desejado; e mantém o estado inalterado mesmo que
não esteja eletricamente alimentada. Para que isto seja mesmo uma célula de
memória basta atribuir um destes estados ao valor “zero” e o outro ao valor
“um”. Aí está nossa célula de memória flash.
Pois é. Mas como foi mesmo que este papo começou? Ah, se bem me lembro a
idéia era “esclarecer um ponto que ficou pendente: as diferenças entre
memórias flash de nível simples e múltiplo”. Que, agora, ficou fácil.
A célula de memória flash mostrada na figura 4 é um exemplo típico de uma
célula de memória flash de nível simples (SLC ou single-level cell). Ela pode
armazenar apenas um bit porque somente pode assumir dois estados, a que
podem ser atribuídos os valores “zero” e “um”.
Mas acontece que a tecnologia de fabricação de memórias flash evoluiu tanto e
tão rapidamente nos últimos anos que tornou possível controlar a carga
transferida para a base flutuante FG. Ou seja: variando a tensão aplicada à
base CG, pode-se transferir (e manter) diferentes cargas elétricas na base
flutuante FG. E, como vimos ao discutirmos o transistor MOSFET, a intensidade
da corrente que transita entre coletor e emissor é proporcional à tensão (ou
carga) da base. Então, pode-se aumentar a quantidade de valores que um
destes dispositivos pode armazenar fazendo variar o “nível” da carga retida na
base flutuante. Com isto teremos um dispositivo de níveis múltiplos de carga.
Este dispositivo é conhecido por MLC ou multiple-level cell.

7. As MLC mais comuns são as que podem manter quatro níveis de carga (de zero
a três) e que, portanto, podem armazenar dois bits.
E aqui cabem dois esclarecimentos:
O primeiro: por que dois bits? Simples: porque com dois bits pode-se
representar quatro números, de "zero" a "três" (em binário: 00 = zero; 01 =
um; 10 = dois; 11 = três). Portanto, conduzindo quatro diferentes intensidades
de corrente, o dispositivo pode representar os quatro números que pode ser
armazenados em dois bits.
O segundo: embora recebendo o nome de "célula de nível múltiplo",
tecnicamente o novo dispositivo não pode ser considerado uma "célula de
memória" no sentido estrito da expressão já que, segundo a definição clássica,
uma célula de memória só pode assumir dois estados mutuamente exclusivos e
portanto só pode armazenar um bit.
Mas não nos deixemos levar por detalhes desta ordem. Embora, no sentido
estrito, apenas a SLC possa ser considerada uma "célula de memória", tanto
ela quanto a MLC são assim chamadas e nada de errado há nisso, é apenas
uma questão de convenção.
Pois é isso. Agora já sabemos como funciona uma célula de memória flash e
qual é a diferença entre as de nível simples e múltiplo. Só falta ver como
podemos combiná-las com memória DDR para entender como funcionarão os
discos de estado sólido da EMC.