Tem certeza. Esta ação não pode ser desfeita.
Semicondutores
A história do transistor é uma saga fascinante que abrange décadas de esforços científicos e avanços tecnológicos. Tudo começou em 1926, quando Julius Edgar Lilienfeld, um físico austro-húngaro-americano, patenteou um dispositivo que lançaria as bases para o que mais tarde seria conhecido como transistor. Lilienfeld imaginou um dispositivo de efeito de campo com um eletrodo de metal separado de um semicondutor por uma fina camada de óxido.
Porém, apesar da sua visão pioneira, as limitações tecnológicas da época impediram a concretização prática da sua invenção. A ideia foi esquecida durante décadas.
Somente na década de 1940 é que os avanços na compreensão dos semicondutores e a crescente necessidade de dispositivos de comutação e amplificação na eletrônica levaram a um interesse renovado na pesquisa de dispositivos de estado sólido.
Em 1947, nos Laboratórios Bell, localizados nos Estados Unidos, ocorreu o avanço. John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, trabalhando em equipe, desenvolveram o primeiro transistor bipolar funcional. Este dispositivo consistia em um semicondutor de germânio com eletrodos conectados em cada extremidade. Usando correntes de base, eles conseguiram controlar o fluxo de corrente entre o emissor e o coletor, o que permitiu a amplificação dos sinais elétricos. Este marco marcou o início da era dos transistores.
A invenção do transistor bipolar também chamado de BJT “Bipolar Junction Transistor” revolucionou a indústria eletrônica, proporcionando um substituto mais eficiente e compacto para as válvulas até então utilizadas. De rádios portáteis a computadores, os transistores tornaram-se os blocos de construção fundamentais da eletrônica moderna.
Porém, a busca por dispositivos mais eficientes e versáteis continuou. Na década de 1950, Mohamed Atalla e Dawon Kahng, trabalhando no Bell Labs, desenvolveram o transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico (Transistor MOSFET), que foi baseado no conceito inicial de Lilienfeld. Este dispositivo apresentava uma estrutura mais simples e oferecia melhores características de comutação e eficiência energética.
O MOSFET, patenteado em 1959, tornou-se a pedra angular da indústria de semicondutores, impulsionando avanços na electrónica de consumo, nas telecomunicações e na computação. Seu design refinado e capacidade de integração em circuitos integrados tornaram-no a peça central da revolução digital.
Desde o seu início modesto na década de 1920 até à sua evolução para o transístor MOSFET, a história do transístor é um testemunho do poder da investigação científica e da inovação tecnológica para transformar o mundo e não parar. Na década de 1980, o transistor IGBT foi inventado. Este transistor é considerado um híbrido entre o transistor bipolar e o MOSFET. Neste caso preferimos colocar os transistores IGBT fora desta seção e eles possuem uma seção própria.
As principais diferenças entre os quatro tipos de transistores são:
Transistores bipolares, FETs, MOSFETs e IGBTs têm sido fundamentais para o desenvolvimento da eletrônica moderna. Eles são usados em uma ampla gama de dispositivos, desde rádios até telefones celulares.
Todos os quatro tipos de transistores passaram por uma evolução significativa desde a sua invenção. As principais melhorias concentraram-se em:
A explicação do funcionamento de um transistor bipolar é muito extensa. As linhas a seguir expressam de forma muito, muito abreviada esta operação.
Primeiramente é necessário introduzir alguns conceitos físicos do transistor e para isso comentaremos brevemente sobre sua estrutura semicondutora.
O transistor bipolar consiste em um dispositivo composto por três regiões semicondutoras separadas por junções PN. Na figura imediatamente abaixo, e à esquerda, é mostrada uma representação útil para análise do transistor bipolar. É fundamental que o doping das regiões seja alternado; Ou seja, se o emissor for do tipo P, então a base será do tipo N e o coletor será do tipo P, resultando em um transistor bipolar do tipo PNP. Por outro lado, se o emissor for do tipo N, então a base será do tipo P e o coletor será do tipo N, criando um transistor bipolar do tipo NPN.
A fabricação do transistor é realizada sobre um substrato de silício, no qual as impurezas se difundem para obter as três regiões citadas acima. A figura acima e à direita mostra a aparência típica de um transistor bipolar real encontrado em qualquer circuito integrado. Sobre uma base tipo n (atuando como coletor), são difundidas regiões p e n+, nas quais são colocados os contatos do emissor e da base.
O emissor deve ser altamente dopado (denotado p+). Quanto maior a dopagem do emissor, mais portadores de carga ele pode contribuir para a corrente.
A base deve ser estreita e levemente dopada para minimizar a recombinação nela, permitindo que a maior parte da corrente do emissor passe para o coletor, como será visto mais adiante. Se a base não for estreita o suficiente, o dispositivo pode não funcionar como um transistor e se comportar mais como dois diodos em oposição.
O coletor deve ser uma região menos dopada que o emissor, e suas características estão relacionadas à recombinação dos portadores provenientes do emissor.
Como vimos anteriormente, o transistor bipolar é composto por três terminais: o emissor, o coletor e a base. De acordo com a sua construção, pode ser classificado em dois tipos: NPN e PNP. A inferior mostra os símbolos dos circuitos e a nomenclatura de seus terminais. Para distinguir entre um transistor NPN e um transistor PNP, observe a direção da seta no terminal emissor: em um NPN, a seta aponta para longe do transistor, enquanto em um PNP, a seta aponta para dentro. Além disso, sob condições normais de operação, a seta indica a direção da corrente que flui através do emissor do transistor.
Normalmente, certas tensões e correntes são definidas no transistor, conforme ilustrado nas duas figuras abaixo. Estas definições são as que serão utilizadas nestas linhas e seguem uma representação física das mesmas, pois em condições normais de operação todas as correntes e tensões definidas são positivas. Embora existam outras formas de indicar essas tensões e correntes, elas não serão discutidas nesta seção.
As zonas de operação de um transistor bipolar estão intimamente relacionadas à sua polarização. Polarizar um transistor refere-se à aplicação de tensões ou correntes aos seus terminais para estabelecer as condições operacionais desejadas. Dependendo de como o transistor é polarizado, ele pode operar em diferentes regiões que determinam seu comportamento e características de saída. As principais áreas de atuação são:
Estas zonas de operação estão intimamente relacionadas com a polarização do transistor, que pode ser alcançada através de configurações de circuito específicas. Por exemplo, em uma polarização de divisor de tensão, resistores são usados para aplicar tensões específicas à base e ao emissor, o que coloca o transistor na região ativa. Na prática, os circuitos de polarização são projetados para garantir que o transistor opere conforme desejado, seja como amplificador linear na região ativa ou como chave na região de saturação, dependendo da aplicação específica.
A polarização do transistor consiste em definir seu ponto de trabalho dentro de uma zona de trabalho na ausência de sinal de entrada. Chamamos essa área de trabalho de ponto Q. Normalmente, esse ponto está localizado na região ativa do transistor, que é onde os sinais podem ser amplificados de maneira linear e estável. Contudo, é possível que o ponto Q esteja nas zonas de corte e saturação em circunstâncias específicas, embora isto não seja desejável na maioria das aplicações.
O ponto Q é definido pelas tensões e correntes nos terminais do transistor quando ele é polarizado em um circuito específico. Polarização refere-se à aplicação de tensões ou correntes aos terminais do transistor para estabelecer o ponto operacional desejado.
Em um transistor bipolar, a polarização é obtida por circuitos projetados especificamente para definir o ponto Q em um nível ideal. Isso garante que o transistor opere de forma estável e linear na região ativa, onde pode amplificar efetivamente o sinal de entrada.
A escolha da polarização apropriada depende de vários fatores, como a linearidade desejada, a estabilidade térmica e os requisitos de eficiência do amplificador. Circuitos de polarização, como polarização por divisor de tensão ou polarização de emissor comum, são projetados para definir o ponto Q de maneira ideal, levando em consideração as especificações do transistor e as necessidades do circuito.
A temperatura também influencia o ponto Q e, portanto, o desempenho do transistor. À medida que a temperatura muda, as características elétricas do transistor, como o ganho de corrente β e a corrente de saturação reversa IS, podem variar.
Estas alterações nas características do transistor podem afetar o ponto Q e, portanto, o comportamento do circuito no qual está integrado. Por exemplo, um aumento na temperatura pode causar um aumento na corrente de saturação reversa, o que pode deslocar o ponto Q e afetar a estabilidade do circuito.
Para compensar os efeitos da temperatura, técnicas de compensação térmica são frequentemente utilizadas no projeto de circuitos. Isto pode envolver o uso de componentes com coeficientes de temperatura complementares ou o projeto de circuitos que minimizem os efeitos da variação de temperatura no ponto Q.
Em resumo, o ponto Q está intimamente relacionado à polarização e à temperatura do transistor. Estabelecer um ponto Q adequado é essencial para garantir a operação ideal e estável do transistor em um circuito eletrônico, especialmente sob condições variáveis de temperatura.
A operação do transistor bipolar pode ser explicada usando a equação de Ebers-Moll, que descreve as correntes dos portadores de carga (elétrons e lacunas) em um transistor bipolar. A equação de Ebers-Moll é uma descrição simplificada do comportamento do transistor e é baseada na teoria do transporte de carga em semicondutores.
A equação de Ebers-Moll para um transistor bipolar tipo NPN é:
| Ic=IS * (eVBE/VT -1) - αR IS * (eVBC/VT -1) |
| IE = ßF IC + ßR IB |
Onde:
| Ic | é a corrente de coletor |
| IE | es la corriente de emisor |
| IB | é a corrente de base |
| VBE | é a tensão entre a base e o emissor |
| VBC | é a tensão entre a base e o coletor |
| IS | é a corrente de saturação reversa do emissor é a tensão térmica |
| VT | es el voltaje térmico |
| βF y βR | eles são os ganhos de corrente direto e reverso, respectivamente |
| αR | é o ganho de corrente reversa |
A tensão térmica VT seria definida por K*T/q; onde K é a constante de Boltzmann, T é a temperatura em graus Kelvin e q é a carga do elétron. Portanto, é uma constante relacionada à temperatura absoluta do semicondutor e à carga do elétron. Seu valor normalmente fica em torno de 25 ou 26mV em temperatura ambiente (aproximadamente 300º Kelvin. Também é conhecida como tensão de junção base-emissor em transistores bipolares.
A tensão térmica é essencial para descrever o comportamento do transistor. É uma quantidade essencialmente relacionada à energia térmica dos portadores de carga (elétrons e lacunas) do semicondutor. Quanto maior a temperatura, maior será a energia térmica dos portadores de carga e, portanto, maior será a tensão térmica.
Na equação de Ebers-Moll, o termo tensão térmica, VT, aparece no expoente da função exponencial que descreve a relação entre a tensão VBE e a corrente de coletor Ic. Este termo reflete como o fluxo de portadores de carga entre a base e o emissor varia com a temperatura. Em resumo, a tensão térmica define a sensibilidade do transistor às mudanças de temperatura e afeta diretamente seu comportamento e características operacionais.
À temperatura ambiente, a equação de Ebers-Moll pode ser simplificada por várias aproximações. O mais comum é a suposição de que o termo exponencial eVBC/VT é aproximadamente igual a e0 porque VBE é relativamente pequeno comparado a VT. Isto é válido na maioria dos casos típicos de operação de um transistor bipolar à temperatura ambiente.
Portanto, à temperatura ambiente, a equação de Ebers-Moll pode ser simplificada da seguinte forma:
Ic∼IS (e0 -1) - αR IS * (eVBC/VT -1)
Ic∼ - αR IS * (eVBC/VT -1)
Esta simplificação é comumente usada na análise de circuitos e projeto de transistores bipolares à temperatura ambiente, onde VBE é muito menor que VT. Contudo, é importante lembrar que esta simplificação é uma aproximação e pode não ser válida em todos os casos, especialmente em aplicações onde é necessária alta precisão.
O gráfico de um transistor bipolar é mostrado na imagem abaixo.
A corrente do coletor depende da corrente de base, que por sua vez depende da tensão base-emissor. Temos duas áreas fronteiriças. Por um lado, na zona inferior e com linhas azuis marcamos a zona de corte, onde a corrente do colector assume um valor muito pequeno, próximo do ICO. Uma vez ultrapassada a tensão limite, a corrente de base cresce exponencialmente com a tensão bae-emissor, obtendo valores elevados na corrente de coletor, até que a saturação do transistor seja atingida. Esta tensão limite em um transistor de silício é da ordem de 0,5V. A partir de 0,7V já estaríamos na zona ativa, mas chegando em torno de 0,8V já estaríamos em saturação.
Como dissemos anteriormente o ponto Q, temos que colocá-lo dentro da zona ativa na ausência de sinal. Na figura abaixo temos a mesma curva anterior, onde já temos o ponto de trabalho (Q) representado. A linha verde representa a linha de carregamento. que depende da polarização do transistor (na ausência de sinal). Se Q estiver muito próximo do eixo das ordenadas, significa que está próximo da região de saturação, enquanto se Q estiver muito próximo do eixo das abcissas, significa que está próximo da região de corte. Dependendo da corrente de base, o transistor está em um ponto de operação ou outro, ao longo da linha de carga.
Existem três configurações básicas de um transistor bipolar usado para amplificar um sinal e são nomeadas com base em como os terminais do transistor (emissor, base e coletor) estão conectados em relação à fonte do sinal e à carga. As três montagens são mostradas na figura abaixo:
Vamos explorar a análise de um componente de três terminais que compartilha muitas aplicações com o BJT ou transistor bipolar, que já estudamos. Dispositivos de efeito de campo são comumente conhecidos como FET (Field Effect Transistor) e existem dois tipos principais:
Começaremos nosso estudo desses transistores comparando algumas de suas semelhanças e diferenças com os BJTs. A principal distinção entre os dois é que o BJT é controlado por corrente, enquanto o FET é controlado por tensão. Em ambos os casos, a corrente no circuito de saída é regulada por um parâmetro do circuito de entrada, seja o nível de corrente ou o nível de tensão aplicada.
Os FETs geram um campo elétrico que modula a condutividade do caminho de saída sem exigir contato físico entre a corrente controlada e a tensão de controle. Semelhante aos BJTs classificados nos tipos npn e pnp, os FETs são diferenciados por serem canais n ou canais p.
Uma diferença fundamental entre esses tipos de transistores é que enquanto os BJTs são bipolares, envolvendo a participação de ambos os tipos de transportadores (elétrons e lacunas) na corrente, os FETs são unipolares, dependendo apenas de um tipo de transportador: elétrons para os do canal n. e furos para canal p.
Uma característica essencial dos FETs é a sua alta impedância de entrada, que pode atingir várias centenas de megohms, muito superior à dos BJTs, que normalmente possuem impedâncias de entrada na faixa dos quiloohms. Isso torna os FETs ideais para aplicações de amplificadores.
Porém, os BJTs são mais sensíveis a mudanças no sinal aplicado, o que significa que para a mesma variação na tensão aplicada, a variação correspondente na corrente de saída é maior nos BJTs do que nos FETs. Isso resulta em ganhos de tensão CA geralmente mais altos em amplificadores com BJTs do que com FETs.
Em geral, os FETs são mais estáveis termicamente e normalmente mais compactos que os BJTs, tornando-os especialmente úteis em circuitos integrados, especialmente MOSFETs.
Um aspecto notável dos FETs é a sua capacidade de se comportarem como resistores ou capacitores, o que permite a criação de circuitos utilizando exclusivamente transistores FET.
No contexto dos transistores bipolares (BJTs), observamos que a corrente que flui do coletor para o emissor é diretamente proporcional à corrente que flui da base, permitindo que o BJT regule a corrente. Os BJTs podem lidar com uma grande quantidade de corrente de saída com uma pequena corrente de entrada na base. Por outro lado, no caso dos transistores de efeito de campo de junção (JFETs), a corrente que flui do dreno para a fonte é determinada pela tensão aplicada à sua porta. Portanto, é um dispositivo controlado por tensão.
O JFET é mais eficiente que o BJT e pode realizar todas as funções que um BJT pode realizar. É amplamente utilizado na fabricação de chips CMOS digitais devido à sua eficiência, velocidade, baixo custo e tamanho compacto.
A ilustração abaixo representa um transistor JFET de canal N, com três terminais mostrados: dreno, fonte e porta. O dreno e a fonte são conectados às extremidades do bloco semicondutor tipo n, permitindo que a corrente flua do dreno para a fonte. Neste caso os dois terminais de portão são unidos por uma linha pontilhada fina, o que significa que geralmente estes dispositivos têm estes dois terminais de portão unidos, mas em alguns casos os dois terminais de portão são acessíveis de forma independente. Para regular esta corrente, duas regiões do tipo p são criadas próximas ao canal do tipo n em ambas as extremidades, que são conectadas internamente para formar o terminal de porta do JFET. Essas regiões formam duas junções pn, gerando uma pequena região de depleção. Ao polarizar estas junções, podemos controlar a largura da região de depleção e, portanto, a quantidade de corrente que flui do dreno para a fonte. Essa mesma estrutura é invertida no JFET do canal P.
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D (Drain). É o terminal através do qual os transportadores do dispositivo (os elétrons no JFET do canal n e as lacunas no JFET do canal p) S (Source). É o terminal por onde entram as transportadoras. G (Gate). É o terminal através do qual a corrente das portadoras através do canal é controlada. |
Vamos considerar que para o JFET de canal N acima, conectamos o dreno e a fonte a uma fonte de tensão (VDS) e colocamos o portão em curto com a fonte, conforme mostrado. Uma corrente começa a fluir do dreno para a fonte (corrente de dreno). Ao aplicar uma tensão à porta e à fonte podemos controlar esta corrente.
Se aumentarmos ainda mais a tensão dreno-fonte, as junções pn sofrerão maior polarização reversa e a região de depleção se expandirá, conforme mostrado na imagem abaixo. Consequentemente, a resistividade do canal também aumentará. Portanto, a corrente de dreno não continuará a aumentar linearmente.
Podemos observar que a região de esgotamento é mais larga no lado do dreno e mais estreita no lado da fonte. Isto ocorre devido à resistividade do bloco de canal n. Quando uma fonte de energia é conectada ao bloco tipo n, a corrente de drenagem começa a fluir, criando uma queda de tensão através dela. Quanto maior a resistência, maior será a queda de tensão. Consequentemente, o lado do dreno torna-se mais carregado positivamente em comparação com o lado da fonte. Como resultado, a polarização da junção torna-se mais significativa no lado do dreno.
Se continuarmos a aumentar a tensão no dreno e na fonte do JFET, chegará um ponto em que ambas as regiões de depleção se tocarão. Esta condição é conhecida como condição de aperto. A tensão entre o dreno e a fonte (VDS) neste ponto é conhecida como tensão de pinch-off (VP). Nesta fase, não haverá fluxo de corrente do dreno para a fonte.
Se não houver fluxo de qualquer corrente através do canal. Não haverá nenhum nível de tensão diferente no canal. Assim, a região de esgotamento se remodelará e sua largura será igual em todas as junções. Então o canal será aberto novamente. Isso permitirá que a corrente de drenagem flua novamente.
Como consideramos anteriormente que não fluirá nenhuma corrente de drenagem após o pinçamento, isso não estava certo. Pelo contrário, esta é a corrente máxima (região de saturação) que pode fluir do dreno para a fonte. Se aumentarmos ainda mais o VDS, a corrente ainda será constante. Esta é a corrente máxima em VGS = 0 e VDS > VP e é conhecida como corrente de drenagem para saturação da fonte (IDSS). No caso do JFET do canal P, essas considerações são invertidas.
Mas quando aplicamos uma tensão negativa através da porta para a fonte, a região de depleção fica mais ampla, mesmo que a tensão do dreno para a fonte seja constante. Desta forma podemos controlar a corrente que flui do dreno para a fonte.
Como podemos ver, a única diferença no símbolo de um transistor JFET N e um P é a direção da seta. Entrada para quem tem canal N e saída para quem tem canal P.
Para operação típica, os transistores de canal n são polarizados pela aplicação de uma tensão positiva entre o dreno e a fonte (VDS) e uma tensão negativa entre a porta e a fonte (VGS). Isso permite que a corrente flua na direção do dreno em direção à fonte. Para JFETs do canal P, a polarização requer uma tensão VDS negativa e uma tensão VGS positiva. Isso faz com que a corrente flua na direção da fonte em direção ao dreno.
| CANAL N | CANAL P |
| VDS positivo | VDS negativo |
| VGS negativo | VGS positivo |
| ID positiva (entrada) | ID negativa (saída) |
Se combinarmos agora no mesmo gráfico o impacto que ambas as tensões (VDS e VGS) têm no funcionamento do dispositivo, obtemos o que é conhecido como curvas características do transistor JFET.
As curvas características de saída para um JFET de canal n são mostradas na figura abaixo. Nessas curvas, a corrente de dreno (ID) é representada em função da tensão dreno-fonte (VDS) para diferentes valores da tensão gate-source (VGS).
Observamos que o valor da tensão VDS para a qual a corrente de dreno entra em saturação quando VGS = 0 às vezes é representado como VP, referindo-se ao "estrangulamento" ou "pinch-off" que ocorre no canal. É importante notar que esta tensão VP pode ser considerada de igual magnitude, mas com sinal oposto à tensão VGSoff, característica do dispositivo.
Por outro lado, para os demais valores de VGS, o valor da tensão VDS em que se atinge a saturação da corrente de dreno pode ser calculado através da expressão VDSsat = VGS - VGSoff, onde todas as tensões devem ser consideradas com seu respectivo sinal . Ou seja, quanto mais negativa for a tensão VGS, mais cedo será atingida a saturação, significando que o canal se estreitará para valores mais baixos de VDS, o que faz sentido já que um VGS mais negativo significa um canal inicial menor.
Nesta curva podemos identificar quatro zonas bem definidas:
Nesta área do gráfico, que corresponde ao eixo horizontal, o ID atual é igual a zero independente do valor de VDS. Isso ocorre quando os valores de VGS são menores ou iguais a VGSoff, indicando que o canal está completamente fechado.
Este comportamento ocorre quando os valores de VDS são menores que os valores de saturação, ou seja, quando VDS ≤ VGS - VGSoff. Nesta situação, o canal se estreita principalmente pelo lado do dreno, até atingir o estrangulamento completo no VDSsat. Nesta região, o transistor se assemelha aproximadamente a um resistor variável controlado pela tensão da porta, especialmente para valores baixos de VDS. À medida que nos aproximamos do VDSsat para cada valor de VGS, a linearidade é perdida devido ao estreitamento do canal que se aproxima do fechamento.
Nesta zona para VDS < VDSsat, o JFET se comporta como um resistor variável com VGS.
Esta fase ocorre quando os valores do VDS são maiores que o VDSsat. Agora, a corrente ID permanece constante com mudanças no VDS (sendo válida a suposição de canal longo) e depende apenas da tensão aplicada VGS. Nesta situação, o transistor funciona como fonte de corrente controlada pela tensão da porta, VGS.
A relação entre a tensão aplicada VGS e a corrente ID que flui através do canal nesta fase é definida pela seguinte equação:
| ID=IDSS (1- (VGS/vGSoff))2 |
Para VDS > VDSsat, o JFET atua como uma fonte de corrente controlada pelo VGS.
Quando uma junção pn é polarizada inversamente, a zona de carga espacial aumenta. Porém, essa tensão reversa possui um limite, conhecido como tensão de ruptura, que é característico de cada junta e geralmente é fornecido pelo fabricante nas fichas técnicas. Se esta tensão de ruptura for excedida, a junta é perfurada, causando a ruptura do dispositivo.
