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Introdução ao Transistor

Transistor é um componente eletrônico semicondutor de extrema importância em tecnologia e de uso generalizado, com inúmeras aplicações na construção de circuitos em todos os campos da eletrônica, desde simples rádios transistorizados e brinquedos até circuitos complexos de aviônica (eletrônica de aeronaves), controle de satélites artificiais e equipamentos médicos, entre muitos outros.

Este componente possui três terminais: a base, o coletor e o emissor. Ele é amplamente utilizado em circuitos eletrônicos como um amplificador de sinal, um interruptor eletrônico ou um oscilador, entre outras funções.

Existem dois tipos principais de transistores: o transistor de junção bipolar (BJT) e o transistor de efeito de campo (FET). O BJT é composto por duas junções PN (diodos), enquanto o FET é composto por uma camada de material semicondutor chamada de “canal” que controla o fluxo de corrente entre o terminal de dreno e o terminal de fonte.

O funcionamento do transistor é baseado na capacidade de controlar a corrente elétrica que flui através dele, usando uma corrente menor aplicada em sua base (no caso do BJT) ou um campo elétrico (no caso do FET). Quando uma corrente ou tensão é aplicada à base do transistor, ele permite que a corrente flua do coletor para o emissor (ou do dreno para a fonte no caso do FET), permitindo assim o controle da corrente ou tensão que flui através do dispositivo.

Os transistores são amplamente utilizados em eletrônica de consumo, telecomunicações, computação, eletrônica automotiva e outras áreas, tornando-se um dos componentes eletrônicos mais importantes e amplamente utilizados da atualidade.

Quem inventou o transistor?

O transistor foi inventado em 1947 pelos físicos John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, que trabalhavam nos Laboratórios Bell, nos Estados Unidos.

O trio de pesquisadores desenvolveu o primeiro transistor de junção bipolar (BJT), que é um dos tipos mais comuns de transistores usados até hoje. A invenção do transistor foi um marco importante na história da eletrônica, pois permitiu a criação de circuitos eletrônicos menores, mais eficientes e confiáveis.

O trabalho dos três pesquisadores foi reconhecido com o Prêmio Nobel de Física em 1956, “pela sua pesquisa pioneira sobre semicondutores e sua descoberta do efeito transistor”. A invenção do transistor revolucionou a eletrônica e teve um impacto significativo em muitas áreas da tecnologia, incluindo computação, telecomunicações, eletrônica automotiva e muitas outras.

Quais as principais aplicações dos transistores?

Os transistores têm uma ampla variedade de aplicações, desde circuitos simples até dispositivos eletrônicos avançados. A seguir listo algumas das principais aplicações dos transistores:

• Amplificadores: Os transistores são usados em circuitos amplificadores para aumentar a amplitude de um sinal elétrico. Eles são usados em amplificadores de áudio, amplificadores de RF (radiofrequência) e em outros circuitos que exigem amplificação de sinal.
• Fontes de alimentação: Transistores são usados em fontes de alimentação para controlar a quantidade de corrente elétrica que flui para um circuito. Eles podem ser usados para converter corrente alternada em corrente contínua, aumentar ou diminuir a voltagem e regular a corrente.
• Interruptores: Os transistores podem ser usados como interruptores eletrônicos em circuitos digitais. Eles são usados para ligar e desligar componentes eletrônicos, como luzes, motores e outros dispositivos.
• Circuitos lógicos: Os transistores são usados em circuitos lógicos digitais para executar operações lógicas, como AND, OR e NOT. Eles são usados em circuitos integrados, como microprocessadores, memórias e outros componentes eletrônicos.
• Osciladores: Os transistores são usados em circuitos osciladores para gerar sinais elétricos com uma frequência específica. Eles são usados em aplicações como relógios digitais, geradores de sinal e sistemas de comunicação.
• Sensores: Transistores podem ser usados como sensores para medir várias grandezas físicas, como temperatura, luz, som, umidade, pressão e outros. Eles são usados em aplicações de automação industrial, controle de processos e instrumentação.

Essas são apenas algumas das aplicações dos transistores, mas eles são usados em praticamente todos os campos da eletrônica, incluindo telecomunicações, informática, eletrônica de consumo, medicina, indústria automotiva, entre outros.

Quais são os tipos de transistores que existem?

Existem vários tipos de transistores disponíveis atualmente, cada um com características e aplicações específicas. Os principais tipos de transistores são:

• Transistor de junção bipolar (BJT): É um tipo de transistor que usa duas junções PN para controlar o fluxo de corrente através de um circuito, sendo o tipo mais comum. Os transistores BJT são amplamente utilizados em aplicações de amplificação de sinal e como interruptores eletrônicos.
• Transistor de efeito de campo (FET): Tipo de transistor amplamente empregado que usa um campo elétrico para controlar a condutividade do material semicondutor. Existem dois tipos principais de FET: o JFET e o MOSFET.
• Transistor de efeito de campo de porta isolada (IGFET): é um tipo de transistor MOSFET com uma camada isolante entre a porta e o canal. Os IGFETs são usados em muitas aplicações, como amplificadores, osciladores e circuitos integrados.
• Transistor de unijunção (JUT): é um tipo de transistor que usa uma junção PN formada entre duas regiões de material semicondutor dopadas de forma diferente para controlar o fluxo de corrente através do dispositivo. Os JUTs são menos comuns do que os transistores BJT e FET, mas ainda são usados em algumas aplicações especializadas.
• Transistor de efeito de campo de heteroestrutura (HFET): é um tipo de transistor FET que usa diferentes materiais semicondutores para formar camadas de canal e porta. Os HFETs são usados em aplicações de alta frequência, como transmissores de rádio e televisão.
• Transistor bipolar de porta isolada (IGBT): é um tipo de transistor que combina a alta impedância de entrada do FET com a capacidade de lidar com altas correntes do BJT. Os IGBTs são usados em muitas aplicações de potência, como motores elétricos, inversores e fontes de alimentação.
• Transistor Darlington: tipo de transistor que consiste em dois transistores bipolares unidos em um único encapsulamento para formar uma única unidade de amplificação. Esses dois transistores são geralmente configurados como um transistor NPN e um transistor PNP, com suas bases e emissores conectados entre si.

Esses são os principais tipos de transistores, mas existem outros tipos menos comuns, como transistores de efeito túnel (TFET), transistores de junção de metal-óxido (MOT) e transistores de junção Schottky (SJT).

Como funciona um transistor BJT?

O transistor BJT (Transistor de Junção Bipolar) é um dispositivo eletrônico semicondutor que possui três regiões de material semicondutor, chamadas de região de emissor, base e coletor. Essas regiões são geralmente formadas a partir de silício, um dos materiais semicondutores mais comuns.

O funcionamento do transistor BJT é baseado na ação de duas junções PN (diodos) que são formadas entre as regiões de material semicondutor. Quando uma tensão ou corrente é aplicada à base do transistor, ela modifica a corrente que flui entre o coletor e o emissor, permitindo o controle do fluxo de corrente do coletor para o emissor.

Em um transistor BJT tipo NPN, a região de emissor é dopada com um material doador de elétrons (como o fósforo), enquanto a região do coletor é dopada com um material aceitador de elétrons (como o boro). A região da base é muito fina e é dopada com um material doador de elétrons. Quando uma tensão positiva é aplicada à base do transistor em relação ao emissor, os elétrons são injetados na base a partir do emissor, criando uma camada fina e altamente dopada na região da base.

A camada fina de base dopada atua como um resistor variável, controlando o fluxo de elétrons do coletor para o emissor. Quando uma tensão é aplicada ao coletor em relação ao emissor, os elétrons são atraídos para a região de base fina e, se a tensão da base for alta o suficiente, os elétrons atravessam a região de base e fluem para o emissor.

O transistor BJT pode ser usado como amplificador ou como interruptor eletrônico. No modo de amplificação, o transistor BJT amplifica o sinal de entrada aplicado à base e produz um sinal de saída maior no coletor. No modo de interruptor, o transistor BJT é usado para controlar o fluxo de corrente através de um circuito, permitindo que ele seja ligado ou desligado de acordo com a tensão ou corrente aplicada à base.

Como funciona um transistor FET?

O transistor FET (Field Effect Transistor / Transistor de Efeito de Campo) é outro tipo de dispositivo semicondutor usado em eletrônica. Ao contrário do transistor BJT, que utiliza corrente para controlar o fluxo de elétrons, o FET utiliza um campo elétrico para controlar a condutividade do material semicondutor.

O FET é formado por um canal semicondutor e duas regiões de material semicondutor chamadas de fonte e dreno. Essas regiões são dopadas com impurezas diferentes para formar junções PN. Entre a fonte e o dreno, existe uma região de material semicondutor que forma o canal, que é geralmente dopado com um tipo oposto de impureza em relação à fonte e dreno.

O funcionamento do FET é baseado na criação de um campo elétrico no canal semicondutor. Quando uma tensão é aplicada à porta, que é conectada a uma região de material semicondutor que controla o canal, um campo elétrico é criado na região do canal, que modifica a densidade de portadores de carga no canal e, consequentemente, a resistência do canal.

Tipos de FET

Existem dois tipos principais de FET: o JFET (Junction Field Effect Transistor) e o MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). O JFET é composto por uma junção PN que forma o canal e é controlado por uma tensão aplicada à porta, enquanto o MOSFET usa um isolante dielétrico entre a porta e o canal, que é controlado por um campo elétrico criado pela tensão aplicada à porta.

O FET tem várias vantagens em relação ao transistor BJT, incluindo baixa corrente de entrada, alta impedância de entrada e capacidade de trabalhar com tensões muito baixas. Esse tipo de transistor é amplamente utilizado em aplicações eletrônicas, como amplificadores, osciladores, conversores de energia e processadores de sinal.

O que é Polarização de Transistores?

A polarização de transistores é o processo de aplicação de uma tensão DC (corrente contínua) ou corrente adequada para operar o transistor em uma região específica do seu gráfico característico de corrente versus tensão (I-V), permitindo que ele opere como amplificador ou chave em um circuito.

Existem diferentes tipos de polarização de transistor, cada um com sua própria faixa de operação e benefícios. A escolha do tipo de polarização depende do circuito específico e das suas exigências em termos de estabilidade, eficiência e faixa de operação.

A polarização adequada é importante para garantir a operação correta e estável do circuito, bem como evitar distorção do sinal de saída e redução da vida útil do transistor. Se a polarização estiver incorreta, o transistor pode operar em uma região não linear do seu gráfico I-V, o que pode resultar em distorção de sinal, sobreaquecimento e eventual falha.

A polarização é uma técnica amplamente utilizada na eletrônica, sendo empregada em circuitos analógicos, digitais, de potência e muitos outros.

Como exemplo, explico sucintamente os métodos de polarização de transistores de junção (BJT).

Polarização de um transistor de junção bipolar

A polarização de um transistor BJT (Bipolar Junction Transistor) é um processo de aplicação de uma tensão DC (corrente contínua) adequada às suas junções, de modo que ele possa operar como amplificador ou como chave em um circuito.

Existem dois tipos principais de polarização de um transistor BJT: polarização fixa e polarização auto-bias. Vamos descrever brevemente ambos os tipos:

• Polarização fixa: neste método, um circuito de polarização é projetado com resistores de polarização fixos. Esses resistores fornecem uma tensão adequada e constante na base do transistor, independentemente de qualquer variação da corrente de entrada ou tensão da fonte.
  A polarização fixa é simples e fácil de implementar, mas não é adequada para circuitos com grandes variações na temperatura ou nas características do transistor.
• Polarização auto-bias: neste método, um resistor de polarização é colocado em série com o transistor, e a queda de tensão nesse resistor é usada para polarizar a base do transistor. Essa abordagem é conhecida como polarização auto-bias, pois o circuito ajusta automaticamente a tensão de polarização na base para compensar as variações na corrente de entrada ou na tensão da fonte.
  A polarização auto-bias é mais adequada para circuitos que exigem estabilidade de polarização ao longo do tempo e com variações na temperatura ou nas características do transistor.

Em geral, a polarização de um transistor BJT é importante para garantir a operação adequada do circuito e evitar a distorção do sinal de saída. A escolha do tipo de polarização depende do circuito específico e das suas exigências em termos de estabilidade, eficiência e faixa de operação.

O que é um gráfico I-V? O gráfico I-V de um transistor é uma representação gráfica da relação entre a corrente que flui através do transistor (I) e a tensão aplicada ao transistor (V). Esse gráfico é importante porque permite visualizar como o transistor irá se comportar em diferentes regiões de operação. Os transistores são geralmente classificados em três regiões de operação distintas, com base na polarização e na relação entre a tensão aplicada e a corrente que flui através dele. Essas regiões são conhecidas como: Região de corte (cutoff): Nessa região, o transistor está polarizado inversamente e não há fluxo de corrente através do dispositivo. Região ativa (active): Nessa região, o transistor está polarizado diretamente e permite que a corrente flua através dele. Essa região é a principal região de operação para os transistores em amplificadores e muitos outros circuitos. Região de saturação (saturation): Nessa região, o transistor está completamente ligado e a corrente através do dispositivo é limitada apenas pela carga externa. O gráfico I-V de um transistor mostra as curvas características de corrente e tensão para cada uma dessas regiões de operação, permitindo que os projetistas de circuitos avaliem e selecionem o dispositivo apropriado para uma determinada aplicação. O gráfico I-V também pode ser usado para determinar o ponto de operação ou ponto Q, que é o ponto no qual o transistor opera em um circuito específico. A escolha do ponto Q adequado é importante para garantir a operação correta e estável do circuito. Exemplo de gráfico I-V de um transistor BJT que mostra como a corrente do coletor varia em relação à tensão base-emissor: Gráfico I-V de um transistor de junção bipolar. Gerado com Python e biblioteca matplotlib. Neste exemplo, assumimos que temos uma fonte de alimentação de 5V, uma resistência do coletor de 470Ω e uma resistência da base de 10Ω. Geramos uma variação de tensão base-emissor de 0V a 0.7V, com 100 pontos. O parâmetro beta (β), também conhecido como ganho de corrente do transistor BJT, é um valor que depende das características do transistor e que precisa ser especificado para realizar o cálculo da corrente do coletor. Observe que também definimos a tensão térmica Vt com um valor típico de 0.026V para um transistor de silício. Em seguida, calculamos a corrente do coletor (Ic) usando a equação básica da lei de Ohm e a equação do modelo de Ebers-Moll para um transistor BJT. A equação assume que a corrente de coletor é igual à corrente de base multiplicada pelo ganho de corrente (beta) e adiciona a queda de tensão da resistência do coletor e da resistência da base. O código em Python para gerar o gráfico acima pode ser encontrado no Github da Bóson Treinamentos.

É isso aí! Neste artigo fiz uma breve (sim, breve!) introdução ao estudo de um dos componentes eletrônicos mais importantes já desenvolvido, o transistor. Nas próximas lições veremos como funciona esse componente com mais detalhes e como construir circuitos selecionados usando transistores e outros componentes.