Transistores
Figura 1 - Antes dos transistores, as válvulas eram usadas em computadores.
A origem dos transistores
O transistor é um componente de circuito elétrico, cujo nome vem do termo transfer resistor, ou seja, resistor de transferência, que se tornou popular nos anos de 1950, sendo ele o grande responsável pela revolução da eletrônica. Uma de suas principais funções é a de aumentar e chavear os sinais elétricos.
O transistor surgiu no ano de 1948 meio que ao acaso. Nesse ano, três cientistas norte-americanos descobriram um cristal de semicondutores e através deste apresentaram dois tipos de junções. Nas pesquisas com esse material, os cientistas perceberam que ele tinha a capacidade de fazer amplificações parecidas com as obtidas com a válvula de triodo. Dessa forma, descobriram um novo componente: o transistor. Ele é basicamente um substituto das antigas válvulas eletrônicas. Sua aplicação é vantajosa, pois o custo de fabricação é menor e ele gasta menos energia que as antigas válvulas.
Essa descoberta possibilitou um grande avanço na eletrônica, de forma que o dispositivo passou a ser largamente empregado nos circuitos eletrônicos. Em razão do avanço tecnológico que esse componente favoreceu, os cientistas que fizeram a descoberta receberam o prêmio Nobel da Física no ano de 1956
Figura 2 - Transistores em um circuito eletrônico.
Qual a função do transistor?
Os transistores têm duas funções básicas: amplificar a corrente elétrica ou barrar a sua passagem. Quando na função de amplificador, os transistores são alimentados por uma baixa corrente elétrica de entrada, amplificando-a e, assim, produzindo uma corrente elétrica de saída com maior intensidade.
Um exemplo de circuito que utiliza transistores nessa configuração são os microfones. O som captado pelos microfones produz uma corrente elétrica de baixa intensidade, em seguida, essa corrente passa através de um conjunto de transistores, que produz um sinal elétrico bem mais intenso, capaz de acionar os alto-falantes de uma caixa de som, por exemplo.
Os transistores também podem funcionar como interruptores, ligando ou desligando a corrente elétrica em um circuito: da mesma forma como eles são capazes de amplificar a corrente elétrica, eles também são capazes de atenuá-la, e esse processo pode ocorrer em uma grande velocidade (os transistores atuais fazem isso bilhões de vezes por segundo).
Essa função fez dos transistores os componentes básicos de todos os chips eletrônicos, como aqueles presentes em nossos computadores. Todos esses chips funcionam por meio de uma língua bastante simples, o código binário. Os computadores são capazes de traduzir um extenso código formado pelos dígitos 0 e 1 em letras, palavras e imagens. Esses dígitos, 0 e 1, são chamados de bits e são implementados pelos transistores: quando um transistor se encontra ligado (alta corrente), o computador lê o bit 0, quando ele se encontra desligado (baixa corrente), o computador atribui-lhe o bit 1.
Como funcionam os transistores?
Todos os transistores funcionam controlando a passagem de elétrons em seu interior, no entanto, existem diferentes tipos de transistor, e cada um faz isso de uma forma diferente. Os transistores modernos, como aqueles usados em processadores de smartphones, são tão pequenos que são capazes de controlar o movimento de cada elétron individualmente. Os chips modernos, de poucos centímetros quadrados de área, podem conter de 5 a 30 bilhões de transistores.
Os transistores são feitos de materiais semicondutores. Para conduzir e amplificar o sinal de uma corrente elétrica, os semicondutores são geralmente dopados com materiais que podem oferecer-lhes cargas elétricas extras, facilitando a sua condução de eletricidade.
A dopagem é um processo em que se substituem os átomos de silício por outros átomos, como fósforo, boro, gálio e outros. Existem dois tipos de dopagem: a dopagem tipo-n e tipo-p. Na dopagem tipo-n (carga negativa), adicionam-se átomos à rede cristalina do Silício capazes de fornecer um excesso de elétrons; na dopagem tipo-p (carga positiva), adicionam-se átomos que causem uma carência de elétrons.
Quais os principais tipos de transistores?
Os transistores podem ser divididos em função do seu tipo e da sua aplicação. Entre os diversos tipos de transistores existentes no mercado, os transistores bipolares de junção e os transistores de efeito de campo são os mais utilizados.
Simbologia adotada para os transistores NPN e PNP
Transistor Bipolar de Junção – TBJ
Essa categoria de transistor recebe essa denominação por possuir duas junções PN combinadas e por envolver tanto cargas positivas, quanto cargas negativas no processo de condução. Os dois tipos de TBJ mais comuns são os NPN e os PNP. Nos transistores PNP, a corrente é composta majoritariamente de cargas positivas (lacunas), enquanto que nos NPN a corrente é composta majoritariamente de elétrons. Em ambos os casos há também um fluxo de cargas minoritárias.
Os três terminais do transistor bipolar de junção são denominados base, coletor e emissor. O terminal da base é responsável por controlar o processo de condução, enquanto o emissor e o coletor são os terminais de entrada e saída da corrente principal de condução. A ordem dos terminais em cada transistor pode alternar entre modelos, tipos e fabricantes diferentes, fazendo necessária a consulta de seu datasheet para saber a ordem correta.
Por ser um dispositivo que possui três camadas de semicondutor alternadas, é possível tratá-lo como duas junções de materiais semicondutores do tipo P e do tipo N. Tem-se então as junções base-emissor e a junção base-coletor. Quando polarizado de maneira correta, essas junções PN podem ser consideradas como dois diodos, com a junção base-emissor equivalendo a um diodo polarizado diretamente e a junção base-coletor a um diodo polarizado inversamente.
Por apresentar esse comportamento entre suas junções, o transistor bipolar de junção possui três regiões de operação diferentes, dependentes do tipo de polarização aplicada entre seus terminais. A região ativa de operação ocorre quando a junção base-emissor está polarizada diretamente e a base-coletor está polarizada inversamente. A região de saturação ocorre quando ambas as junções estão polarizadas diretamente. Já a região de corte ocorre quando ambas as junções estão inversamente polarizadas, não havendo a circulação de corrente entre coletor e emissor.
Transistor de Efeito de Campo – FET
Outro tipo de transistor muito utilizado é o FET, que diferente do TBJ, é controlado de acordo com a tensão no seu terminal de controle (gate). Esse dispositivo possui três terminais: o gate, que é análogo a base; o source, que possui a mesma função do emissor; e o drain que possui a mesma função do coletor.
O FET é um dispositivo unipolar, ou seja, sua condução envolve apenas um tipo de carga por vez. Não há junções PN definindo o tipo de carga conduzida, apenas um canal semicondutor de ligação entre source e drain. Essa característica origina os dois principais tipos de FET, os de canal N (conduzem elétrons) e os de canal P (conduzem lacunas).
Há dois tipos principais de transistores de efeito de campo: o JFET (Junction Field Effect Transistor), que traduzindo é Transistor de Junção de Efeito de Campo; e o MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) que traduzindo é Transistor de Efeito de Campo de Metal Oxido Semicondutor. Ambos os transistores são mais compactos que o TBJ e possuem como característica predominante nas aplicações uma alta impedância de entrada, que é o motivo pelo qual não atuam em função da corrente.
Clique aqui para saber mais sobre os transistores do tipo MOSFET.
Os chips de computador mais modernos podem conter até 30 bilhões de transistores.
Onde são aplicados os Transistores?
Os transistores podem atuar como amplificadores ou interruptores em circuitos eletrônicos. Seu uso mais comum está nos processadores de computador, nos quais são requeridos graças à sua capacidade de emular os bits por meio do aumento ou queda de tensão, de forma rápida e precisa. Os transistores estão presentes nos circuitos integrados, que compõem as portas lógicas utilizadas em circuitos elétricos de diversas máquinas, eletrodomésticos, computadores, celulares etc.