Transistor | Definição, Tipos, Símbolos e História

Quase todos os eletrônicos modernos são baseados em um componente fundamental conhecido como transistor. O bloco de construção dos sistemas embarcados modernos também é um transistor, que atua como componente fundamental para controlar o processamento de dados. Um transistor é um componente essencial em circuitos integrados (CIs), microprocessadores e microcontroladores, e em quase todos os dispositivos eletrônicos.  

O transistor é um dispositivo semicondutor de três terminais usado para controlar o fluxo de corrente. Quando tensão ou corrente é aplicada aos terminais de entrada de um transistor, ele controla ou amplifica o sinal de entrada para gerar um sinal de saída. É feito de materiais semicondutores, como germânio ou silício. Compreender os transistores, seus tipos, símbolos e funcionamento é essencial para engenheiros eletricistas projetarem sistemas eletrônicos modernos.

O que é transistor?

Um transistor é um dispositivo eletrônico que controla o fluxo de corrente. Um transistor possui três terminais conhecidos como Base, Emissor e Coletor. Um transistor típico possui dois modos de operação: pode atuar como chave ou como dispositivo de amplificação. No modo chave, o transistor permite ou autoriza o fluxo de corrente. Já no modo de amplificação, o transistor amplifica o pequeno sinal de entrada para gerar um sinal de saída maior.

Um transistor é composto por três camadas de material semicondutor, como silício e germânio. Essas camadas são PNP ou NPN. A pilha de camadas de material determina o tipo de transistor, se PNP ou NPN. Um transistor típico possui três terminais conhecidos como Base, Emissor e Coletor. Esse tipo de transistor é conhecido como transistor de junção bipolar (BJT). O símbolo e a figura típicos do transistor BJT são mostrados abaixo.

Camadas de transistor	Símbolo do transistor	Pacote de transistor

Fig-1: Figura e símbolo do transistor

Tipos de transistores e símbolos de transistores

Os transistores são classificados em três tipos: Transistores de Junção Bipolar (BJT), Transistores de Efeito de Campo (FET) e Transistores Bipolares de Porta Isolada (IGBT). Esses transistores são subdivididos em subtipos. Os detalhes de cada tipo de transistor serão discutidos posteriormente neste artigo.

Transistor de junção bipolar (BJT)

O transistor BJT possui três terminais conhecidos como base, emissor e coletor. O fluxo de corrente no transistor BJT se deve aos elétrons livres ou lacunas. A pequena quantidade de corrente entre a base e o terminal emissor do transistor BJT pode controlar o grande fluxo de corrente entre os terminais emissor e coletor. O transistor BJT é classificado em transistores NPN e PNP.

Figura 2: Símbolos dos Transistores BJT

No transistor PNP, o material semicondutor do tipo N é intercalado entre dois materiais semicondutores do tipo P. Esse arranjo resulta em duas junções de transistor conhecidas como Junção Base-Emissor (Je) e Junção Base-Coletor (Jc). Em uma aplicação típica de transistor, a junção base-emissor é polarizada diretamente e a junção base-coletor é polarizada reversamente. No transistor do tipo PNP, o fluxo de corrente se deve às lacunas como portadoras de carga majoritárias.

Já no transistor NPN, o material semicondutor do tipo P fica intercalado entre dois materiais semicondutores do tipo N. No transistor NPN, o fluxo de corrente se deve aos elétrons como portadores de carga majoritários.  

Quando uma entrada é aplicada entre dois terminais do transistor, ela amplifica a entrada nos terminais de saída. Um terminal do transistor atua como entrada e o outro como saída. O outro terminal do transistor atua como aterramento. TPortanto, três configurações de transistores são concebidas.

1. Configuração do emissor comum: Na configuração de emissor comum de a transistor, a entrada é aplicada em da  terminal base do transistor, a saída é tomada no coletor e o emissor é conectado ao terra.

2. Configuração de base comum:  Na configuração de base comum do transistor, a entrada é aplicada no terminal emissor do transistor, a saída é tomada no coletor e a base é conectada ao aterramento.

3. Configuração do coletor comum: Na configuração de coletor comum do transistor, a entrada é aplicada no terminal base do transistor, a saída é tomada no emissor e o coletor é conectado ao aterramento.

Transistores de Efeito de Campo (FETs)

O transistor FET utiliza um campo elétrico para controlar o fluxo de corrente. Este tipo de transistor possui três terminais: gate, dreno e source. Os transistores FET são unipolares, ao contrário dos transistores BJT, que são bipolares. Os transistores FET são amplamente utilizados em diversas aplicações devido à sua alta impedância (até Mega Ohms), baixo consumo de energia, baixa dissipação de calor e alta faixa de frequência de chaveamento de até Mega Hertz. Os transistores FET são classificados em dois tipos: MOSFET e JFET.

MOSFET

MOSFET significa Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (Transistor de Efeito de Campo Semicondutor de Óxido Metálico). Esses transistores são amplamente utilizados em aplicações de eletrônica de potência. São dispositivos controlados por tensão. O transistor MOSFET é composto por três camadas: metal, óxido e semicondutor. A camada de óxido (SiO₂) no transistor indica que ele possui uma fina camada isolante entre as camadas metálica e semicondutora. Portanto, o MOSFET utiliza um campo elétrico para controlar o fluxo de corrente entre as camadas metálica e semicondutora. Ao contrário dos BJTs, os transistores MOSFET podem utilizar apenas elétrons (Tipo N) ou lacunas (Tipo P) como portadores de carga em sua operação.

Figura 3: Símbolos MOSFET de canal N e canal P

Esses transistores oferecem impedância de entrada muito alta e baixa impedância de saída, pois a corrente é controlada por um campo elétrico. A alta impedância de entrada desses transistores os torna adequados para circuitos eletrônicos de potência, circuitos integrados (CIs), amplificadores operacionais (Amps Op), osciladores, filtros e dispositivos de alta frequência de comutação.

Figura 4: Pacote típico de MOSFET Through Hole

Assim como os BJT, os transistores MOSFET também têm três configurações de operação.

1.     Configuração de porta comum (Gate é aterrado, entrada na fonte, saída no dreno)

2.     Configuração de drenagem comum (Dreno é aterramento, entrada na porta, saída na fonte)

3.     Configuração de fonte comum (A fonte é o aterramento, a entrada é o gate e a saída é o dreno)

Os transistores MOSFET são classificados ainda em MOSFET do tipo aprimoramento, MOSFET do tipo depleção, PMOS e transistores NMOS.

·       MOSFET tipo de depleção: Transistor MOSFET de depleção, também conhecido como transistor D-MOSFET. Quando a corrente flui entre os terminais de fonte e dreno do transistor, é conhecido como canal. No D-MOSFET, o canal já está sendo construído durante o processo de fabricação. O transistor D-MOS normalmente opera como ligado sem aplicar nenhuma tensão de porta. Portanto, o transistor nessa condição é chamado de dispositivo ligado. No entanto, quando a tensão de porta é aplicada na entrada do transistor, seu canal se torna resistivo. Ao aumentar a tensão, a corrente do canal continua diminuindo até que a corrente do transistor do dreno para a fonte cesse.

·       Tipo de aprimoramento MOSFET: MOSFET de aprimoramento, também conhecido como transistor E-MOS. O canal não é pré-criado, ao contrário do transistor D-MOS. Em condições normais, nenhuma corrente flui entre o terminal dreno e a fonte do transistor. No entanto, quando a tensão de porta é aplicada ao transistor, a corrente continua aumentando, tornando o canal do transistor menos resistivo.

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        Transistores PMOS e NMOS: Assim como os transistores MOSFET, PMOS e NMOS também têm três terminais: gate, dreno e source. A principal diferença entre transistores PMOS e NMOS é que nos transistores NMOS, as camadas de fonte e dreno são dopadas com material tipo N. Já no transistor PMOS, as camadas de fonte e dreno são dopadas com material tipo P.

Tipo MOS	Símbolo
NMOS
PMOS

JFET

JFET é um dispositivo controlado por tensão e significa Transistor de Efeito de Campo de Junção. O JFET é um dos primeiros transistores em FETs e o mais simples. O fluxo de corrente no transistor JFET se deve apenas aos portadores de carga majoritários, ao contrário dos transistores de junção bipolares, onde o fluxo de corrente se deve tanto aos portadores de carga majoritários quanto minoritários. Os transistores JFET são classificados em N-JFET e P-JFET. Eles possuem três terminais: porta, fonte e dreno.

Em uma operação normal do transistor, quando a tensão de porta é zero, os elétrons viajam facilmente da fonte para o dreno do transistor. No entanto, quando a tensão de porta é aplicada aos terminais fonte e porta do transistor, a junção PN torna-se inversamente polarizada e aumenta a largura da camada de depleção. Isso levará o JFET a uma região de pinçamento (completamente desligado).

O que um transistor faz?

Um transistor é um dispositivo eletrônico que controla o fluxo de corrente. O transistor tem duas funções principais: pode ser usado como chave ou como dispositivo de amplificação. O transistor possui três modos de operação: corte, saturação e região ativa. Ele funciona como chave ou amplificador, dependendo da região de operação. Se um transistor for operado na região de corte e saturação, ele atua como chave. No entanto, se for operado na região ativa, ele atua como amplificador.

·       Transistor como interruptor: Com a combinação das regiões de saturação e corte, um transistor é operado como um dispositivo de comutação. Quando está na região de corte, a corrente não flui e o transistor está em polarização reversa. Portanto, ele permanece no estado OFF. Quando está na região de saturação, a corrente flui e o transistor está em polarização direta. Portanto, ele entra no estado ON. O transistor tem amplas aplicações onde é operado como dispositivos de comutação, como pisca-pisca de LEDs, motores CC, portas lógicas, acionamentos de alta frequência, regulação precisa de potência e relés.

·       Transistor como amplificador: Quando um transistor é usado precisamente em uma região ativa, ele opera como um amplificador. O fator importante que contribui para a amplificação é o ganho (beta) do transistor. Ele normalmente é mencionado na folha de dados do transistor. Quanto maior o ganho, maior a amplificação do transistor. Outro fator que também contribui para o desempenho do amplificador é a relação entre a tensão de entrada e saída, a resistência de entrada e saída, o ganho de corrente e o ganho de potência. O transistor como amplificador é amplamente utilizado em sinais de rádio, comunicação sem fio, amplificadores operacionais, dispositivos de áudio, amplificadores instrumentais, dispositivos médicos e comunicação por fibra óptica.

Como funcionam os transistores?

Os transistores revolucionaram o mundo moderno. Hoje, eles são usados ​​em todos os lugares, de smartphones a motores de foguete, processadores modernos, dispositivos de memória e servidores de internet.

Um transistor típico funciona como uma chave ou amplificador. Ele é feito com três camadas de materiais semicondutores: Tipo N e Tipo P. Então, como funciona um transistor?

Um transistor típico tem três terminais: base, emissor e coletor. A função do transistor é controlar o fluxo de corrente. Ele controla o fluxo de corrente usando o princípio dos portadores de carga. A maioria dos portadores de carga são elétrons ou lacunas. As três camadas são dispostas juntas de forma que haja dois Tipos N e um Tipo P entre eles. Isso resulta em um transistor NPN e vice-versa para um transistor PNP.

O funcionamento fundamental dos transistores baseia-se na junção base-emissor e na junção base-coletor. Essas junções se formam quando um sinal de base é aplicado ao terminal base-emissor de um transistor. Quando uma pequena quantidade de corrente é aplicada na entrada do transistor, uma grande corrente flui da junção base-coletor. Isso é conhecido como amplificação do transistor. Um transistor em modo de amplificação é obtido tornando a junção base-emissor polarizada diretamente e a junção base-coletor polarizada reversamente.

Quando nenhum sinal de base é aplicado na entrada (terminais base-emissor) do transistor, a junção base-emissor e base-coletor fica polarizada reversamente. Portanto, nenhuma corrente fluirá do emissor para o coletor e o transistor estará em estado desligado. Um transistor nessa região de operação é chamado de região de corte.

Quando um sinal de base é aplicado na entrada do transistor, ele permite que a corrente flua do emissor para o coletor. Tanto a junção base-emissor quanto a junção base-coletor são polarizadas diretamente nesta operação e o coletor estará em estado LIGADO. Um transistor nesta região de operação é chamado de região de saturação.

História do Transistor

A origem dos transistores remonta às válvulas termiônicas. As válvulas termiônicas foram inventadas em 1907 e utilizadas principalmente em tecnologia de rádio e sistemas de radar. Foram o primeiro tipo de transistor, mas consomem muita energia e são volumosas. Essas válvulas utilizam um sinal de entrada para controlar o fluxo de corrente na saída, utilizando os eletrodos. 

Quando e quem inventou o transistor

Em outubro de 1925, um cientista austríaco no Canadá publicou a primeira patente de um transistor de efeito de campo. No entanto, seu trabalho foi ignorado na época devido à escassez de artigos científicos publicados. Durante a Segunda Guerra Mundial, os laboratórios Bell se esforçaram para produzir um cristal de germânio puro para uso em sinais de radar e misturadores de frequência.

Em 1947, John Bardeen e William Shockley, da Bell Labs, em Nova Jersey, Estados Unidos, inventaram o primeiro transistor funcional. Mais tarde, em 1958, a Bell Labs introduziu o transistor MOSFET. A invenção do MOSFET revolucionou a eletrônica moderna, pois foi o primeiro transistor planar em que o dreno e a fonte estão na mesma superfície. A descoberta do MOSFET substituiu amplamente os transistores convencionais em quase todos os eletrônicos, incluindo processadores, dispositivos de memória e microcontroladores.

Conclusão

Concluindo, o transistor é uma das maiores invenções do século XX^th século que mudou a eletrônica moderna. A eletrônica embarcada moderna, como processadores, microcontroladores e dispositivos digitais, é composta por transistores. Transistores são componentes vitais na eletrônica moderna, como radares, comunicação por fibra óptica, dispositivos médicos e amplificadores instrumentais. Portanto, compreender o funcionamento dos transistores, seus princípios de funcionamento e tipos é crucial para que os engenheiros projetem aplicações de última geração.