Transístor
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O transístor (ou transistor) é um componente eletrônico que começou a se popularizar na década de 1950 tendo sido o principal responsável pela revolução da eletrônica na década de 1960, e cujas funções principais são amplificar e chaveamento de sinais elétricos. O termo vem de transfer resistor (resistor de transferência), como era conhecido pelos seus inventores.
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 à esta função, a corrente elétrica que passa entre coletor e emissor do transístor varia dentro de determinados parâmetros pré-estabelecidos pelo projetista do circuito eletrônico; esta variação é feita através da variação de tensão num dos terminais chamado base, que conseqüentemente ocasiona o processo de amplificação de sinal.
Entende-se por "amplificar" o procedimento de tornar um sinal elétrico mais fraco em mais forte. Um sinal elétrico de baixa intensidade, como os sinais gerados por um microfone, é injetado em um 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 altofalantes, a este processo todo se dá o nome de ganho de sinal.
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[editar] Invenção
O transistor foi inventado nos Laboratórios da Bell Telephone em dezembro de 1947 ( e não em 1948 como é freqüentemente dito) por Bardeen e Brattain, e inicialmente demonstrado em 23 de Dezembro de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain, e William Bradford Shockley, que foram laureados com o prêmio Nobel da Física em 1956. Ironicamente, eles pretendiam fabricar um transístor de efeito de campo (FET) idealizado por Julius Edgar Lilienfeld antes de 1925, mas acabaram por descobrir uma amplificação da corrente no ponto de contacto do transístor, isso evoluiu posteriormente para converter-se no transístor 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 serem incorporados a diversas aplicações, tais como: aparelhos auditivos, seguidos rapidamente por rádios transistorizados. Mas a indústria norte-americana não adotou imediatamente o transístor nos equipamentos eletrônicos de consumo, preferindo continuar a usar as válvulas termoiônicas, cuja tecnologia era amplamente dominada. Foi através de produtos japoneses, notadamente os rádios portáteis fabricados pela Sony, que o transístor passou a ser adotado em escala mundial.
Nessa época, o MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor - Transistor de Efeito de Campo formado por Metal / Óxido / Silício) ficou em segundo plano, quase esquecido. Problemas de interface inviabilizavam a construção dos MOSFETs. Contudo, em 1959, Atalla e Kahng da Bell Labs fabricam e conseguem a operação de um transistor MOS. Nessa época, os transistores MOS são tidos como curiosidade, devido ao desempenho bastante inferior aos Bipolares.
A grande vantagem dos transistores em relação às válvulas foi demonstrada em 1958, quando J. kilby da Texas Instruments desenvolveu o primeiro circuito integrado, consistindo de 1 transistor, 3 resistores e 1 capacitor, implementando um oscilador simples. A partir daí, via-se a possibilidade de criação de circuitos mais complexos, utilizando integração de componentes. Isso marcou uma transição na história dos transistores, que deixaram de ser vistos como substituto 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, há muitos problemas com estados de impurezas, o que mantém o uso do MOS restrito até o fim da década de 60. Entre 1964 - 1969 identificam o Sódio Na como o principal causador dos problemas de estado de superfície, e começam a surgir soluções para esse problema.
No início da tecnologia MOS, os transistores PMOS foram mais utilizados, apesar do conceito de Complementary MOS (CMOS) já estivesse sido introduzido por Weimer. O problema ainda é a dificuldade de eliminação de estados de superfície nos transisores NMOS.
em 1970, a Intel anuncia a primeira DRAM, fabricada com tecnologia PMOS. Em 1971, a Intel lança o primeiro microprocessador do mundo, o 4004, baseado em tecnologia PMOS. Ele foi projetado para ser usado em calculadoras. Ainda em 1971, resolve-se os problemas de estado de superfície e emerge a tecnologia NMOS, que permite maior velocidade e 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 alto nesse tipo de tecnologia). Com isso, a tecnologia CMOS começa 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 8 bits (8008) usava tecnologia PMOS e tinha frequencia 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 frequencias de 6,10,12 Mhz, fabricado com tecnologia CMOS - 134.000 transistores 1,5um ou 1500 nm, com uma tensão de trabalho de 5 V.
O pentium IV, lançado em janeiro de 2002, trabalha com freqüências de 2200 - 3000 Mhz, 55 milhões de transistores CMOS 130 nm.
[editar] Importância
O transístor 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 transístor na sociedade moderna é a sua habilidade de ser produzido em enormes quantidades usando técnicas simples, resultando em preços irrisórios. É conveniente salientar que é praticamente impossível encontrarmos circuitos integrados que não possuam internamente centenas, milhares ou mesmo milhões de transístores, juntamente com outros componentes como resistências e condensadores. Por exemplo o microprocessador Pentium 4 da Intel tem 42 milhões de transístores, usando uma arquitectura de fabricação de 130 nanómetros, ou seja cada transístor fica distanciado dos outros 130 milionésimos de um milímetro.
O 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 simplesmente alguns milhões de transístores e um programa de computador apropriado e realizar a mesma tarefa. Os transistores hoje em dia têm substituído quase todos os dispositivos electromecânicos, a maioria dos sistemas de controle, e aparecem em grandes quantidades em tudo que envolva electrónica desde os computadores aos carros.
O 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 informação digital, mais e mais esforço foi posto 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 análogas 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 fracção de tempo.
[editar] Fabricação
Os materiais utilizados na fabricação do transístor 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 de seus átomos, gerando uma rede eletrônica altamente estável. Atualmente, o transístor de germânio não é mais usado, tendo sido substituído pelo de silício, que possui características muito melhores.
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 materiais selecionados (conhecidos como impurezas) que transformam a estrutura eletrônica, introduzindo-se entre as ligações dos átomos de silício, roubando ou doando elétrons dos átomos, gerando o silício P ou N, conforme ele seja positivo (tenha falta de elétrons) ou negativo (tenha excesso de elétrons). Se a impureza tiver um elétron a mais, um elétron fica sobrando na estrutura cristalina. Se tiver um elétron a menos, fica faltando um elétron, o que produz uma lacuna (que funciona como se fosse um buraco móvel na estrutura cristalina). Como resultado, temos ao fim do processo um semicondutor.
O transístor é montado justapondo-se uma camada P, uma N e outra P, 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.
[editar] Funcionamento
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.
[editar] Características de um Transístor
O factor de multiplicação da corrente na base (iB) mais conhecido por Beta do transístor ou por hfe que é dado pela expressão : iC = iB x ß
- iC: corrente de coletor
- iB: corrente de base
- B: beta (ganho)
Configurações básicas de um transístor:
Existem 3 configurações básicas (BC, CC e EC) 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 180º graus.
- Pode amplificar tensão e corrente, até centenas de vezes.
Os transístores apresentam as seguintes especificações que poderão ser consultadas nos datasheets dos fabricantes:
- Tipo: é o nome do transistor.
- Pol: polarização; N quer dizer NPN e P 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 emissor.
- 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 transístores, notadamente os de efeito de campo (transístores FET, de Field Effect Transistor), neste caso o controle da corrente é feito por tensão aplicada à porta.
