Transístor: Conheça Uma das Invenções Mais Importantes do Século XX

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O transístor é um componente eletrônico semicondutor, usado para amplificar ou trocar sinais eletrônicos e energia elétrica. Começou a popularizar-se na década de 1950, tendo sido o principal responsável pela revolução da eletrônica na década de 1960.

É composto de material semicondutor, na maioria dos casos com pelo menos três terminais para conexão a um circuito externo.

Uma tensão ou corrente aplicada a um par de terminais do transístor controla a corrente através de outro par de terminais. Como a potência controlada (saída), pode ser maior que a potência de controle (entrada), um transístor pode amplificar um sinal.

Hoje, alguns transistores são embalados individualmente, mas muitos outros são encontrados embutidos em circuitos integrados.

Costumam ser utilizados como amplificadores e interruptores de sinais elétricos, além de retificadores elétricos em um circuito, podendo ter várias funções.

Este artigo trás um pouco da história e da importância dos transistores continue lendo e entenda mais sobre:

História dos Transístores

Operação Simplificada

Composição dos Transístores

Fabricação de Transístores

Funcionamento

Tipos de Transístores

Tipos de Transístores por Função

História dos Transístores

O triodo termiônico é um tubo a vácuo inventado em 1907. Permitiu a amplificação da tecnologia de rádio e telefonia de longa distância. O triodo, no entanto era um dispositivo frágil, que consumia uma quantia substancial de energia.

Em 1909, o físico William Eccles descobriu o oscilador de diodo de cristal. O físico alemão Julius Edgar Liliefeld registrou uma patente para um transístor de efeito de campo, no Canadá, em 1925; que pretendia ser um substituto de estado sólido para o triodo.

Patentes idênticas foram apresentadas por Liliefeld nos Estados Unidos em 1926 e 1928. No entanto, Liliefeld não publicou nenhum artigo de pesquisa sobre seus dispositivos nem suas patentes citam nenhum exemplo especifico de um protótipo funcional. Em 1934, o inventor alemão Oskar Heil patenteou um dispositivo similar na Europa.

John Bardeen e Walter Brattain trabalhavam da Bell Labs da AT&T em Murray Hill, New Jersey, nos Estados Unidos. De 17 de novembro de 1947 a 23 de dezembro de 1947, eles realizaram experimentos com cristais de germânio.

Observaram assim, que quando dois cristais de germânio foram aplicados a um cristal de germânio, um sinal foi produzido com a potência de saída maior que a entrada.

O líder do grupo de física do Estado Sólido, William Shockley, viu o potencial nisso. De fato, durante os meses seguintes trabalhou para expandir bastate o conhecimento dos semicondutores.

Os primeiros transístores de junção bipolar foram inventados por William Shockley, da Bell Labs, que solicitou patente em 26 de junho de 1948. Em 12 de abril de 1950, os químicos Gordon Teal e Morgan Sparks, da Bell Labs; produziram com sucesso uma junção NPM bipolar trabalhando o transistor de germânio.

A Bel Labs anunciou a descoberta de transístor “sanduiche”, em um comunicado de imprensa em 4 de julho de 1951.

Transístor de Alta Frequência

O primeiro transístor de alta frequência foi o transístor de germânio de superfície-barreira desenvolvido pela Philco em 1953, capaz de operar até 60 MHz.

Estes foram feitos por gravura em depressões em uma base de germânio do tipo N de ambos os lados em jatos de sulfato de índio (III) até que ele tinha dez milésimos de uma polegada de espessura. O índio foi galvanizado nas depressões formadas pelo coletor e pelo emissor.

O primeiro rádio transístor tipo “protótipo” foi apresentado pela INTERMETALL na Internationale Funkausstellung Düsseldorf entre 29 de agosto de 1953 e 9 de setembro de 1953.

O primeiro rádio transístor de bolso de “produção” foi o Regency TR-1, lançado em outubro de 1954. Era um rádio de bolso com 4 transístores e um diodo de germânio. O desenho industrial foi terceirizado para a firma de Chicago Painter Teague e Petertil.

O primeiro auto-rádio de “produção” de todos os transistores foi desenvolvido pelas corporações Chrysler e Philco. Anunciado na edição de 28 de abril de 1955 do Wall Street Journal.

A Chrysler havia fabricado o rádio para todos os transistores. O Mopar modelo 914HR, disponível como opção a partir do outono de 1955 para sua nova linha de carros Chrysler e Imperial de 1956; que atingiu o primeiro showroom da concessionária em 21 de outubro de 1955.

O primeiro transístor de silício em funcionamento foi criado na Bell Labs, em 26 de janeiro de 1954, por Morris Tanenbaum. No entanto, o primeiro transístor de silício comercial foi produzido pela Texas Instruments em 1954.

Este foi o trabalho de Gordon Teal; um especialista em cristais crescentes de alta pureza, que já havia trabalhado no Bell Labs. O primeiro MOSFET construído foi por Kahng e Atalla, no Bell Labs, em 1960.

Operação Simplificada

A utilidade essencial de um transistor vem de sua capacidade de usar um pequeno sinal aplicado entre um par de seus terminais para controlar um sinal muito maior em outro par de terminais. Essa propriedade é chamada de ganho.

Pode produzir um sinal de saída mais forte, uma voltagem ou corrente, que é proporcional a um sinal de entrada mais fraco, isto é, pode atuar como um amplificador. O transistor pode ser usado para ligar ou desligar a corrente em um circuito como um interruptor controlado eletricamente; onde a quantidade de corrente é determinada por outros elementos do circuito.

Existem dois tipos de transistores, que têm pequenas diferenças em como eles são usados em um circuito. Um transistor bipolar tem terminais rotulados como base, coletor e emissor. Uma pequena corrente no terminal base pode controlar ou mudar uma corrente muito maior entre os terminais de coletor e emissor.

Para um transístor de efeito de campo, os terminas são rotulados como porta fonte e dreno. Uma voltagem na porta pode controlar uma corrente entre a fonte e o dreno.

Transístor Como Um Interruptor

Os transistores são usados em circuitos digitais como comutadores eletrônicos que podem estar em estado ligado ou desligado; tanto para aplicações de alta potência, como fontes de alimentação comutadas; quanto para aplicações de baixa potência, como portas lógicas.

Parâmetros importantes para esta aplicação incluem a corrente comutada, a tensão manejada e a velocidade de comutação, caracterizada pelos tempos de subida e descida.

Em um circuito de transistor de emissor aterrado, como o circuito de interruptor de luz mostrado, à medida que a tensão de base aumenta as correntes do emissor e do coletor também aumentam. A tensão do coletor cai devido à resistência reduzida do coletor ao emissor.

Se a diferença de tensão entre o coletor e o emissor fosse zero ou próximo de zero, a corrente do coletor seria limitada apenas pela resistência da carga (lâmpada) e pela tensão de alimentação. Isso é chamado de saturação porque a corrente está fluindo do coletor para o emissor livremente. Quando saturado, diz-se que o interruptor está ligado.

Fornecer corrente de base suficiente é um problema chave no uso de transístores bipolares como chaves. O transístor fornece ganho de corrente; permitindo que uma corrente bem grande no coletor seja comutada por uma corrente muito menor para o terminal de base.

A relação dessas correntes varia dependendo do tipo de transistor e mesmo para um tipo específico, varia de acordo com a corrente do coletor. No exemplo do circuito de interruptor de luz mostrado, o resistor é escolhido para fornecer corrente de base suficiente para garantir que o transistor seja saturado.

Transístor Como Amplificador

O amplificador de emissor comum é projetado de forma que uma pequena mudança na voltagem (Vin) modifique a pequena corrente através da base do transistor; a amplificação atual do transístor combinada com as propriedades do circuito significa que pequenas oscilações em V produzem grandes mudanças na saída de V.

Várias configurações de amplificador único são possíveis, com alguns fornecendo ganho de corrente, ganho de tensão outros.

De telefones celulares a televisores, um grande número de produtos inclui amplificadores para reprodução de som, transmissão de rádio e processamento de sinal. Os Primeiros amplificadores de áudio de transístor discreto mal forneciam algumas centenas de miliwatts, mas a potência e a fidelidade de áudio aumentavam de forma gradual à medida que transistores melhores se tornavam disponíveis e a arquitetura de amplificadores evoluía.

Amplificadores de áudio transístor modernos de até algumas centenas de watts são comuns e bem baratos.

Composição dos Transístores

Um transístor é composto por três filamentos: Base, Emissor e Coletor. O emissor é o pólo positivo, o coletor, o pólo negativo, enquanto a base é quem controla o estado do transistor, que pode estar ligado ou desligado.

Um transístor ao ser desligado acaba não tendo carga na base, em consequência provoca a não existência de corrente elétrica entre o emissor e o receptor. Assim cada transístor funciona como uma espécie de interruptor, na qual, pode estar ligado ou desligado.

Fabricação de Transístores

Os principais materiais utilizados na fabricação do transistor são; 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. Hoje em dia, o transistor de germânio é menos usado, tendo sido substituído pelo silício.

O silício é purificado e passa por um processo que reordena sua estrutura cristalina entre 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 adicionados uma impureza com 3 elétrons na última camada, faltará um elétron na ligação covalente, formando os buracos e caracterizando a pastilha como pastilha P.

Transístores PNP e NPN

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 livre.

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 transístor é montado justapondo-se uma camada P, uma N e outra P unindo-se dois diodos, criando-se um transístor do tipo PNP. O transístor 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 transístor 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. Essa equipe de investigadores foi liderada por Elvira Fortunato e Rodrigo Martins.

Funcionamento

No transístor de junção bipolar ou TJB, o controle da corrente coletor-emissor é feito injetando corrente na base. O efeito transístor 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.

Tipos de Transístores

Existem muitos tipos diferentes de transistores e cada um deles varia em suas características, vantagens e desvantagens. Alguns tipos são usados na comutação. Outros podem ser usados tanto como interruptores quanto para amplificação. Ainda outros estão em um grupo especializado próprio, tais como fototransistores, que respondem a quantidade de luz que brilha sobre ele para produzir fluxo de corrente.

Transístor Bipolar de Junção

São constituídos por 3 regiões: a base, o coletor e o emissor. São dispositivos controlados pela corrente. Uma pequena corrente que entra na região de base do transístor provoca um fluxo de corrente muito maior do emissor para a região do coletor.

Transistores bipolares de junção vêm em dois tipos principais, NPN e PNP.

Transístor de Efeito de Campo

São constituídos por 3 regiões, uma porta, uma fonte e um dreno. Ao contrário dos transistores bipolares, os FET são dispositivos controlados por tensão. Uma tensão colocada na porta controla o fluxo de corrente da fonte para o dreno do transístor.

Os transistores de efeito de campo têm impedância de entrada muito alta, resistência a valores muito maiores. No entanto, esta impedância de entrada alta faz com que eles tenham muito pouca corrente correndo através deles.

Assim esses tipos de transistores buscam muito pouca corrente da fonte de alimentação de um circuito. Isto é ideal porque não perturbam os elementos de potência do circuito original aos quais estão ligados. Eles não irão sobrecarregar a fonte de alimentação.

A desvantagem dos FETs é que eles não fornecerão a mesma amplificação que poderia ser obtida a partir de um transistor bipolar.

Tipos de Transístores por Função

Os tipos de transistores de função são denominados pelo que eles fazem ou são projetados para fazer. Alguns transistores são usados como interruptores, outros mais para amplificadores.

Transístores de Pequenos Sinais

São transístores usados para amplificar sinais de baixo nível, mas também podem funcionar bem como interruptores. Os transístores vêm com um valor, que denota como um transístor pode amplificar os sinais de entrada.

Os valores típicos de hFE para transístores de sinal pequeno variam de 10 a 500, com valores máximos de Ic (corrente de coletor) de cerca de 80 a 600 mA. Eles vêm em construção NPN e PNP. As frequências operacionais máximas variam entre 1 e 300 MHz.

Transístores de Comutação Pequenos

Pequenos transistores de comutação são aqueles usados como comutadores, mas também podem ser usados como amplificadores. Os valores típicos de hFE para pequenos transistores de comutação variam de 10 a 200, com valores de Ic máximos de cerca de 10 a 1000 mA. Eles são fabricados tanto como NPN quanto PNP.

Transístores de Força

São adequados para aplicações onde muita energia está sendo usada (corrente e tensão). O coletor do transístor é conectado a uma base de metal que atua como um dissipador de calor para dissipar o excesso de potência.

As potências típicas variam de 10 a 300 W, com frequências entre 1 a 100 MHz. Os valores máximos de Ic variam entre1 a 100 A. Os transistores de potência vêm em estruturas NPN, PNP e Darlington (NPN ou PNP).

Transístores de Alta Frequência

São usados para sinais pequenos que funcionam em altas frequências para aplicações de alta velocidade. Devem ser capazes de ligar e desligar em velocidades muito altas.

Transístores de alta frequência são usados em amplificadores HF, VHF, UHF, CATV e MATV e aplicações de oscilação. Tem uma frequência máxima de cerca de 2000 MHZ e correntes Ic máximas de 10 a 600 mA. Eles estão disponíveis tanto como NPN quanto PNP.

Fototransistores

São transistores sensíveis à luz. Um tipo comum de fototransistor assemelha-se a um transístor bipolar com o seu chumbo de base removido e substituído por uma área sensível a luz. É por isso que um fototransistor tem apenas 2 terminais em vez dos habituais 3.

Quando esta superfície é mantida escura, o dispositivo está desligado. Quase nenhuma corrente flui do coletor para a região do emissor. No entanto, quando a região sensível a luz é exposta a luz é gerada uma pequena corrente de base que controla uma corrente de coletor para o emissor muito maior.

Transístor de Unijunção

São transístores de três derivações, que atuam apenas como comutadores eletricamente controlados, eles são usados como amplificadores. Diferentes de outros modelos que fornecem a capacidade de agir como um interruptor e também como um amplificador.

Um transístor de unijunção não fornece qualquer tipo descente de amplificação por causa da forma como ele é construído. Ele não é projetado para fornecer uma tensão suficiente ou impulso de corrente.

As três derivações de um transístor unijuncional são B1, B2 e um cabo emissor, que é o condutor que recebe a corrente de entrada.

Conclusão

O transístor é o componente ativo chave em quase todos os eletrônicos modernos. Muitos consideram ser uma das maiores invenções do século XX. Sua importância na sociedade atual depende de sua capacidade de ser produzido em massa, usando um processo altamente automatizado, que atinge surpreendentemente baixos custos por transístor.

Embora várias empresas produzam mais de um bilhão de transistores individualmente embalados a cada ano, a grande maioria dos transistores é produzida em circuitos integrados, junto com diodos, resistores, capacitores e outros componentes eletrônicos, para produzir circuitos eletrônicos completos.

Uma porta lógica consiste em até cerca de vinte transistores, enquanto um microprocessador avançado, a partir de 2009, pode usar até 3 bilhões de transistores.

Referência:

  1. Wikipédia, Transistor, disponível neste link.
  2. Wikipédia, Transístor, disponível neste link.
  3. Diego Marcelo dos Santos, InfoEscola, disponível neste link.
  4. Palpite Digital, Transistor, o que é? Tipos e Como Funciona, disponível neste link.

Imagem Pixabay.