Transístor
Transistores com diferentes encapsulamentos. À esquerda um transistor de
sinal em encapsulamento TO-92. À direita um transistor de alta potência
em encapsulamento metálico TO-3.
O
transístor (português europeu) ou transistor (português brasileiro) é um
componente eletrônico que começou a popularizar-se na
década de 1950, tendo sido o principal responsável pela revolução da
eletrônica na
década de 1960. São utilizados principalmente como
amplificadores e
interruptores de
sinais elétricos, também são usados como retificadores elétricos em um circuito podendo ter variadas funções . O termo provém do
inglês transfer resistor (resistor/resistência de transferência), como era conhecido pelos seus inventores.
1
O processo de transferência de
resistência, no caso de um
circuito analógico, significa que a
impedância característica do componente varia para cima ou para baixo da
polarização pré-estabelecida. Graças a esta função, a
corrente elétrica que passa entre
coletor e
emissor do transistor varia dentro de determinados parâmetros pré-estabelecidos pelo projetista do
circuito eletrônico. Esta variação é feita através da variação de
corrente num dos terminais chamados
base, o que, consequentemente, ocasiona o processo de amplificação de sinal.
Entende-se por “amplificar” o procedimento de tornar um sinal
elétrico mais forte. Um sinal elétrico de baixa intensidade, como os
sinais gerados por um
microfone,
é injetado num circuito eletrônico (transistorizado por exemplo), cuja
função principal é transformar este sinal fraco gerado pelo microfone em
sinais elétricos com as mesmas características, mas com
potência suficiente para excitar os
alto-falantes. A este processo todo dá-se o nome de
ganho de sinal.
Invenção
O transístor de
silício e
germânio foi inventado nos Laboratórios da
Bell Telephone por
John Bardeen e
Walter Houser Brattain em 1947 e, inicialmente, demonstrado em
23 de Dezembro de
1948, por John Bardeen, Walter Houser Brattain e
William Bradford Shockley, que foram laureados com o
Nobel de Física em
1956. Ironicamente, eles pretendiam fabricar um transistor de efeito de campo (FET) idealizado por Julius Edgar Lilienfeld antes de
1925,
mas acabaram por descobrir uma amplificação da corrente no ponto de
contato do transistor. Isto evoluiu posteriormente para converter-se no
transistor de junção bipolar (BJT). O objetivo do projeto era criar um
dispositivo compacto e barato para substituir as
válvulas termoiônicas usadas nos sistemas
telefônicos da época.
Os transistores bipolares passaram, então, a ser incorporados a
diversas aplicações, tais como aparelhos auditivos, seguidos rapidamente
por rádios
transistorizados. Mas a indústria norte-americana não
adotou imediatamente o transistor nos equipamentos eletrônicos de
consumo, preferindo continuar a usar as
válvulas termoiônicas, cuja tecnologia era amplamente dominada. Foi por meio de produtos japoneses, notadamente os rádios portáteis fabricados pela
Sony, que o transistor passou a ser adotado em escala mundial. Não houve muitas mudanças até então.
Nessa época, o
MOSFET2
(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor – Transistor de Efeito de
Campo formado por Metal, Óxido e Silício) ficou em segundo plano, quase
esquecido. Problemas de interface inviabilizavam a construção dos
MOSFETs. Contudo, em 1959, Atalla e Kahng, da Bell Labs, fabricaram e
conseguiram a operação de um transistor MOS. Nessa época, os
transistores MOS eram tidos como curiosidade, devido ao desempenho
bastante inferior aos bipolares.
A grande vantagem dos transistores em relação às válvulas foi
demonstrada em 1958, quando Jack Kilby, da Texas Instruments,
desenvolveu o primeiro circuito integrado, consistindo de um transistor,
três
resistores e um
capacitor, implementando um
oscilador
simples. A partir daí, via-se a possibilidade de criação de circuitos
mais complexos, utilizando integração de componentes. Isto marcou uma
transição na história dos transistores, que deixaram de ser vistos como
substitutos das válvulas e passaram a ser encarados como dispositivos
que possibilitam a criação de circuitos complexos, integrados.
Em 1960, devido a sua estrutura mais simples, o
MOS
passou a ser encarado como um dispositivo viável para circuitos
digitais integrados. Nessa época, havia muitos problemas com estados de
impurezas, o que manteve o uso do
MOS restrito até o fim da década de 60. Entre 1964 e 1969, identificou-se o
Sódio Na como o principal causador dos problemas de estado de superfície e começaram a surgir soluções para tais problemas.
No início da tecnologia MOS, os transistores PMOS foram mais
utilizados, apesar de o conceito de Complementary MOS (CMOS) já ter sido
introduzido por
Weimer. O problema ainda era a dificuldade de eliminação de estados de superfície nos transistores
NMOS.
Em 1970, a
Intel anunciava a primeira
DRAM, fabricada com tecnologia
PMOS.
Em 1971, a mesma empresa lançava o primeiro microprocessador do mundo, o
4004, baseado em tecnologia PMOS. Ele tinha sido projetado para ser
usado em
calculadoras. Ainda em
1971, resolviam-se os problemas de estado de superfície e emergia a tecnologia
NMOS, que permitia maior velocidade e maior poder de integração.
O domínio da tecnologia
MOS dura até o final dos
anos 70. Nessa época, o
NMOS
passou a ser um problema, pois com o aumento da densidade dos CIs, a
tecnologia demonstrou-se insuficiente, pois surgem grandes problemas com
consumo de potência (que é alta nesse tipo de tecnologia). Com isso, a
tecnologia CMOS começava a ganhar espaço.
A partir da
década de 80, o uso de
CMOS foi intensificado, levando a tecnologia a ser usada em 75% de toda a fabricação de circuitos, por volta do ano 2000.
Alguns números
O primeiro processador de 8 bits (
Intel 8008) usava tecnologia
PMOS
e tinha frequência de 0,2 MHz. Ano de fabricação: abril/1972 – 3500
transistores com 10 um ou 10000 nm, com uma tensão de trabalho de 5 V;
10 anos depois, a
Intel lançou o
80286, com frequências de 6, 10 e 12 MHz, fabricado com tecnologia
CMOS – 134.000 transistores 1,5 mícron ou 1500 nm, com uma tensão de trabalho de 5 V;
O
Pentium 4, lançado em janeiro de 2002, trabalha com
frequências de 1300 a 4000 MHz, com 55 milhões de transistores
CMOS 130 nm. A série de chips Radeon 2000, por exemplo, atinge os 500 milhões de transistores, chegando à casa dos 40 nm.
A placa de vídeo da AMD
Radeon HD 6870, lançada em
outubro de
2010, trabalha com frequências de
900 MHz na GPU,
4200
MHz de frequência de memória do tipo GDDR5 (interface de 256 bits), tem
1,7 bilhão de transistores, com processo de fabricação de 40 nm e um
Core de 255 mm2.
3
Importância
O transistor é considerado por muitos uma das maiores descobertas ou
invenções da história moderna, tendo tornado possível a revolução dos
computadores
e equipamentos eletrônicos. A chave da importância do transistor na
sociedade moderna é sua possibilidade de ser produzido em enormes
quantidades usando técnicas simples, resultando preços irrisórios.
É conveniente salientar que é praticamente impossível serem encontrados
circuitos integrados que não possuam, internamente, centenas, milhares ou mesmo milhões de transistores
4 , juntamente com outros componentes como resistores e
condensadores. Por exemplo, o
microprocessador Cell do console
Playstation 3 tem aproximadamente 234 milhões de transistores, usando uma arquitetura de fabricação de 45
nanômetros, ou seja, a porta de controle de cada transistor tem apenas 45 milionésimos de um milímetro.
Seu baixo custo permitiu que se transformasse num componente quase
universal para tarefas não-mecânicas. Visto que um dispositivo comum,
como um
refrigerador, usaria um dispositivo mecânico para o controle, hoje é frequente e muito mais barato usar um
microprocessador
contendo alguns milhões de transistores e um programa de computador
apropriado para realizar a mesma tarefa. Os transistores, hoje em dia,
têm substituído quase todos os dispositivos eletromecânicos, a maioria
dos sistemas de controle, e aparecem em grandes quantidades em tudo que
envolva eletrônica, desde os computadores aos carros.
Seu custo tem sido crucial no crescente movimento para
digitalizar toda a informação. Com os computadores
transistorizados
a oferecer a habilidade de encontrar e ordenar rapidamente informações
digitais, mais e mais esforços foram postos em tornar toda a informação
digital. Hoje, quase todos os meios na sociedade moderna são fornecidos
em formato digital, convertidos e apresentados por computadores. Formas
analógicas comuns de informação, tais como a
televisão
ou os jornais, gastam a maioria do seu tempo com informação digital,
sendo convertida no formato tradicional apenas numa pequena fração de
tempo.
Fabricação
Símbolos dos transistores bipolares
Os materiais utilizados na fabricação do
transistor são principalmente o
Silício (Si), o
Germânio (Ge), o Gálio (Ga) e alguns
óxidos. Na natureza, o silício é um material
isolante elétrico,
devido à conformação das ligações eletrônicas do seu átomo, gerando uma
rede eletrônica altamente estável. Atualmente, o transistor de germânio
é menos usado, tendo sido substituído pelo de silício.
O silício é purificado e passa por um processo que forma uma
estrutura cristalina em seus átomos. O material é cortado em finos
discos, que a seguir vão para um processo chamado de
dopagem, onde são introduzidas quantidades rigorosamente controladas de materiais selecionados (conhecidos como
impurezas) que transformam a estrutura eletrônica, introduzindo-se entre as ligações dos
átomos
de silício. O Silício realiza ligações covalentes de quatro elétrons.
Quando adicionamos uma impureza com 3 elétrons na última camada, faltará
um elétron na ligação covalente, formando os buracos e caracterizando a
pastilha como pastilha P.
Quando adicionamos uma impureza com 5 elétrons na última camada, vai sobrar um
elétron
na ligação covalente com o silício. Esses elétrons livres têm pouca
interação com seu átomo, então qualquer energia fornecida o faz sair,
sendo assim um elétron livre (assim se forma a pastilha N, que tem esse
nome por ter maior número de
elétrons livres).
A pastilha P tem menos elétrons livres e mais "buracos" e a Pastilha N
tem mais elétrons livres que buracos. Não podemos dizer que a pastilha P
é positiva nem que a pastilha N é negativa, porque a soma total de
elétrons é igual à soma total de prótons. Quando unimos a pastilha P e a
pastilha N, os elétrons livres em excesso na pastilha N migram para a
pastilha P e os buracos da pastilha P migram para a pastilha N. Deste
modo a pastilha P fica negativa e a pastilha N fica positiva. Isto é o
diodo.
O transistor é montado justapondo-se uma camada
P, uma
N e outra
P (unindo-se dois diodos), criando-se um transistor do tipo
PNP. O transistor do tipo
NPN é obtido de modo similar. A camada do centro é denominada
base, e as outras duas são o
emissor e o
coletor.
No símbolo do componente, o emissor é indicado por uma seta, que aponta
para dentro do transistor se o componente for PNP, ou para fora, se for
NPN.
Cientistas
portugueses do Centro de Investigação de Materiais (Cenimat) da
Faculdade de Ciências e Tecnologia da
Universidade Nova de Lisboa, conseguiram fabricar pela primeira vez transistores com
papel.
5 . Essa equipe de investigadores foi liderada por
Elvira Fortunato e
Rodrigo Martins.
Funcionamento
Transístor moderno de alta potência
No transistor de junção bipolar ou
TJB
(BJT – Bipolar Junction Transistor na terminologia inglesa), o controle
da corrente coletor-emissor é feito injetando corrente na base. O
efeito transistor ocorre quando a junção coletor-base é polarizada
reversamente e a junção base-emissor é polarizada diretamente. Uma
pequena corrente de base é suficiente para estabelecer uma corrente
entre os terminais de coletor-emissor. Esta corrente será tão maior
quanto maior for a corrente de base, de acordo com o ganho. Isso permite
que o transistor funcione como amplificador pois ao se injetar uma
pequena corrente na base se obtém uma alta tensão de saída. No entanto o
transistor de silício só permite seu funcionamento com uma tensão entre
base e emissor acima de 0,7V e 0,3V para o germânio.
Características de um transistor
O fator de multiplicação da corrente na base (iB), mais conhecido por Beta do transistor ou por
hFE, que é dado pela expressão iC = iB x β
- iC: corrente de coletor
- iB: corrente de base
- β: beta (ganho de corrente DC)
Configurações básicas de um transistor:
Existem três configurações básicas (BC, CC e EC)
6 , cada uma com suas vantagens e desvantagens.
Base comum (BC)
- Baixa impedância(Z) de entrada.
- Alta impedância(Z) de saída.
- Não há defasagem entre o sinal de saída e o de entrada.
- Amplificação de corrente igual a um.
Coletor comum (CC)
- Alta impedância(Z) de entrada.
- Baixa impedância(Z) de saída.
- Não há defasagem entre o sinal de saída e o de entrada.
- Amplificação de tensão igual a um.
Emissor comum (EC)
- Média impedância(Z) de entrada.
- Alta impedância(Z) de saída.
- Defasagem entre o sinal de saída e o de entrada de 180°.
- Pode amplificar tensão e corrente, até centenas de vezes.
Os transistores possuem diversas características. Seguem alguns
exemplos dos parâmetros mais comuns que poderão ser consultadas nos
datasheets dos fabricantes:
- Tipo: é o nome do transistor.
- Pol: polarização; negativa quer dizer NPN e positiva significa PNP.
- VCEO: tensão entre coletor e emissor com a base aberta.
- VCER: tensão entre coletor e emissor com resistor no emissor.
- IC: corrente máxima do coletor.
- PTOT: é a máxima potência que o transistor pode dissipar
- hFE: ganho (beta).
- Ft: frequência máxima.
- Encapsulamento: a maneira como o fabricante encapsulou o transistor nos fornece a identificação dos terminais.
Existem também outros tipos de
transistores, notadamente os de
efeito de campo (
transistores FET, de
Field
Effect
Transistor); neste caso, o controle da corrente é feito por tensão aplicada à porta.
Ver também
Referências
ou 
ou 
é a resistividade do material, 
é o comprimento, e 
é a área da secção transversal. Isso pode ser estendido a uma integral para áreas mais complexas, mas essa fórmula simples é aplicável a fios cilíndricos e à maioria dos condutores comuns. Esse valor está sujeito a mudanças em altas freqüências devido ao efeito skin, que diminui a superfície disponível da área.
, sendo a corrente elétrica 
.
) deve ser exatamente igual à quantidade que sai (δ
+ δ
), δ
Dividindo por δt:
. As leis de Kirchhoff são baseadas no eletromagnetismo e só são válidas quando o tamanho da oscilação eletromagnética é muito maior que as dimensões do circuito.
.O processo implica uma transferência de carga 
de uma armadura para a outra. Essa passagem pode ser devida à ligação de dois cabos nas armaduras e nos terminais de uma bateria.
desde uma das armaduras até a outra, como se mostra na figura abaixo. Cada vez que uma carga 
até 
(área sob a reta no gráfico de 
em função de 
, na figura abaixo). O resultado é:
