Antes de começar esta leitura, aconselho se inteirar sobre o funcionamento dos semicondutores, e para isso sugiro que CLIQUE AQUI e leia um artigo do HC dedicado ao assunto.
Em 1926 surge, pelo físico austro-húngaro Julius Edgar Lilienfeld (1882 ~ 1963), um dos primeiros estudos formalizados feitos sobre o que hoje conhecemos como transistor, que explicou os princípios do transistor de efeito de campo (FET). Todavia, ele nunca construiu o dispositivo funcional devido a inexistência de materiais apropriados e técnica, uma vez que na época a tecnologia disponível - como por exemplo o Selênio policristalino - era incapaz de sustentar por muito tempo os portadores de carga minoritários para permitir um processo de difusão que pudesse promover o FET.
As patentes referentes a esses trabalhos de Lilienfeld só foram concedidas em 1930 e 1933, no entanto, desapareceram na obscuridade, com o físico sendo homenageado apenas após sua morte pelo prêmio American Physical Society.
Além destas, ele também possui outras patentes referentes a trabalhos sobre capacitores eletrolíticos e propriedades de condutividade elétrica em tubos a vácuo.
Em 1934, o cientista alemão Oskar Ersnt Heil (1908 ~ 1994) recebeu uma patente referente a um de seus trabalhos, a qual descreve capacidade de regular corrente elétrica em transistores de efeito de campo (FET), mas sem criar nenhum objeto prático, mesmo que experimental, relacionado a esta patente. Heil também publicou artigos sobre o comportamento das microondas em tubos, os quais explicam alguns princípios fundamentais delas, e desenvolveu um oscilador de microondas que ficou conhecido como Heil Generator.
Na primeira metade da década de 1940, o cientista Russell Ohl, também dos Laboratórios Bell, fez importantes descobertas com silício, mais tarde originando a junção PN, elemento que foi crucial para a criação do transistor.
Uma das patentes de Ohl já englobava o estudo de células fotovoltaicas feitas com Silício:
Em Dezembro de 1947, um dos componentes fundamentais para a computação clássica finalmente é materializado nos laboratórios da Bell Labs através dos inventores William Bradford Shockley (1910 ~ 1989), John Bardeen (1908 ~ 1991) e Walter Brattain (1902 ~ 1987). Eles começaram a trabalhar juntos em 1945, integrando o grupo de estudos onde desenvolveram as pesquisas.
Imagem 1 - Esqueça Alan Turing quando falamos de computação clássica... Dentre vários contribuintes, lembre-se de George Boole e desses caras
Logo após a Segunda Guerra Mundial, William percebeu a possibilidade de criar um dispositivo semicondutor de comportamento similar ao Triodo, um tipo de válvula termoiônica. Ele conseguiu financiamento e espaço na Bell Labs, e passou a trabalhar junto com Bardeen e Brattain. Eles batizaram a pesquisa de “Point Contact Resistor“, em português “Resistor de Ponto de Contato”.
A chave para esse desenvolvimento foi a compreensão do processo de movimentação dos elétrons no semicondutor. Tomando como base o diodo, eles entenderam que, se houver a possibilidade de controlar o fluxo de elétrons que passa pelo componente, teriam um efeito similar ao Triodo.
Esse desenvolvimento pareceu muito difícil, pois o cristal que estava-se projetando tinha um tamanho muito grande em relação ao fluxo de elétrons. Dessa forma, a quantidade de elétrons necessária para controlar o fluxo seria muito grande, o que tornaria o componente inútil.
A solução proposta foi aplicar elétrons sobre uma região muito pequena, chamada de região de depleção. A chave para isso seria colocar os contatos de entrada e saída muito próximos um do outro.
Em vez de precisar de dois semicondutores separados, ligados por um outro semicondutor comum, uma única superfície maior serviria. As ligações do emissor e coletor seriam colocadas muito próximas uma da outra, com o controle na base do cristal.
Quando a corrente foi aplicada na ligação de “base”, os elétrons (cargas negativas) ou lacunas (ausência de elétrons, cargas positivas) seriam empurrados para fora do bloco de semicondutor, e coletados na outra superfície. Quanto mais próximo o coletor e o emissor estivessem, menos corrente na base seria necessária para controlar o canal (região de depleção).
Com essa ideia em mente, Brattain começou a trabalhar na construção do dispositivo, e em paralelo na teoria de funcionamento do circuito.
O que estava sendo observado é que os elétrons (ou lacunas) se acumulavam na superfície do dispositivo e qualquer carga elétrica fazia com que eles se dissipassem para o meio externo, encontrando uma carga oposta. Dessa forma, era possível aplicar uma pequena carga através de outro ponto do cristal. Assim, seria possível empurrar essas cargas para fora, obtendo o mesmo resultado sem a necessidade de injetar uma grande corrente.
Bardeen e Brattain realizaram uma experiência inicialmente na tentativa construir um amplificador de efeito de campo. Eles usaram como contato um eletrodo sobre a superfície de Germânio e uma ponta de metal, obtendo ótimas amplificações, entretanto, péssimos resultados de frequência.
Posteriormente, na tentativa de melhorar a amplificação com outros níveis de frequência, substituíram os materiais usados por camadas tipo P e N em contato com um pedaço triangular de Poliestireno embrulhado em finas chapas de Ouro:
Diagrama 1 - O desenho da invenção
CURIOSIDADE: Caso queira saber mais sobre o Poliestireno e outros tipos de plásticos, bem como borrachas e compósitos, recomendo que comece CLICANDO AQUI!
A equipe visualizou um ganho de pouco mais de 300x nas experiências, além disso, puderam nivelar os níveis de corrente e tensão elétrica conforme aproximavam o tal triânguulo e a superfície de Germânio.
Imagem 2 - Como o protótipo funcionava
O dispositivo criado pelo trio da Bell Labs também ficou conhecido como transistor de contato metálico:
Imagem 3 - Esse trambolho se tornou um pontinho minúsculo dentro dos chips
Miraram no efeito FET e acertaram no primeiro transistor de ponto de contato.
Imagem 4 - Morgan Sparks, um dos caras por trás do BJT, segurando a mais nova invenção da Bell Labs
Logo após a invenção do transistor de contato metálico, o transistor de junção foi inventado em virtude de uma sugestão oferecida por Shockley, que já tinha feito trabalhos semelhantes ao de Brattain antes de trabalharem juntos, todavia, com o uso de outros materiais.
Em seguida, Brattain, Bardeen e Shockley solicitaram a patente referente a invenção do transistor, entretanto, ela foi concedida apenas no nome de William, que considerou o transistor uma invenção dele em razão de uma ideia que teve no passado.
Em 1956 ambos receberam o prêmio Nobel de Física, contudo, Bardeen e Brattain não mais trabalhavam na Bell Labs.
Em 1951, Shockley foi eleito membro da “Academia Nacional de Ciências” e recebeu uma promoção dentro da Bell. Com seu ego inflado, ele se tornou ominoso. Nesse ano, John Bardeen deixa a Bell para procurar algo novo, e Brattain se recusa a continuar trabalhando com Shockley e passa a fazer parte de outra equipe.
Seu gênio fazia com que discordasse frequentemente de sua diretoria. Essas discussões o levaram a um afastamento em 1953, trabalhando por quatro meses como professor visitante no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech).
Em 1955 ele decide se desligar da Bell Labs e vai para a Beckman Instruments, formando assim a Beckman Shockley Semiconductor Laboratory. Ele tentou trazer seus ex-colegas da Bell, mas como todos conheciam sua forma de trabalhar, recusaram. Shockley passou a buscar jovens PhDs nas universidades, montando assim sua equipe.
Apesar disso, seu estilo de gestão fez com que oito de seus jovens pesquisadores se desligassem em 1957. Eles foram conhecidos como “Os 8 Traidores“. Esses pesquisadores acabaram por criar novas empresas, entre elas a AMD e a Intel. Em 1960 a empresa “Shockley Semiconductor” foi vendida. Ele se associa à universidade Stanford, onde se torna professor.
John Bardeen e Walter Brattain solicitaram a patente de número US2524035, depositada em 1948, mais restrita, de um método de ponto de contato para construir um transistor semicondutor.
William Schokley aperfeiçoou o experimento e desenvolveu o conceito de transistor de junção. Ao invés de aglomerar pontos de Ouro numa chapa de Germânio, trabalhou com a ideia de camadas de semicondutoras tipo N e tipo P superpostas numa configuração em sanduíche PNP:
Logo a Bell Labs percebeu o potencial do componente, começou uma divulgação interna sobre a invenção. No entanto, este dispositivo ainda não tinha nome. Então, em 28 de Maio de 1948, um grupo selecionado foi montado para batizar o novo componente.
Imagem 5 - Estes foram os nomes sugeridos
E com isso surge o Varistor de Transferência, ou Varistor de Transcondutância, abreviado Transistor.
Embora que o transistor tenha uma grande relevância para a eletrônica e para as indústrias, o potencial dele foi reconhecido somente alguns anos mais tarde. No início ele era produzido e comercializado apenas pela empresa Western Eletric, que era associada da Bell Telephone. Posteriormente foram concedidas licenças de fabricação pelo preço de US$ 25 mil para outras empresas, como a Texas Instruments, Motorola, Sony (Tokyo Tsushin Kogyo Kabushiki Kaisha, na época) e várias outras.
A partir da invenção do primeiro transistor, vieram várias modificações, como substituição de alguns materiais na fabricação, a diminuição do tamanho, a implementação de alguns aparatos e etc.
Na década de 1950 ocorreram grandes avanços no processo de purificação do Silício, devido a isso e também ao fato dele conseguir operar em temperaturas mais altas os transistores de Germânio logo perderam espaço. Posteriormente, a partir de 1960, as válvulas usadas em circuitos foram gradativamente substituídas pelo transistor em razão de várias vantagens que ele possuía em relação a elas, como o tamanho menor, menores perdas de energia, durabilidade, redução do custo de fabricação e etc.
Durante a Guerra Fria ocorreram intensos investimentos no desenvolvimento de novos dispositivos por parte dos EUA. Logo surgiu o primeiro circuito integrado, que dispunha de apenas quatro transistores e era de uso militar. Já em 1970 a tecnologia CMOS ganhava espaço e os circuitos integrados já possuíam mais de mil transistores, e agora não mais restritos ao exército. Mais tarde eles originaram os microprocessadores, sendo o primeiro deles fabricado pela Intel em 1971.
O emprego do transistor aumentou intensamente nos anos seguintes. Com ele, foi possível desenvolver novas tecnologias, principalmente no uso de microprocessadores e computadores mais avançados. A maioria dos equipamentos e dispositivos eletrônicos hoje requer o emprego do transistor. Ele é usado principalmente para amplificar sinais e para portas lógicas, por isso é tão importante, já que proporcionou enormes benefícios no controle e no comando de ordens.
Os transistores são componentes que permitem ou não a passagem de corrente, sendo generica e superficialmente comparados aos interruptores. No entanto, diferentemente dos diodos, os 'varistores de transferência' também são capazes de controlar a passagem de corrente tal qual um resistor, mas principalmente de amplificar um sinal.
O transistor é como se fosse uma "torneira de elétrons", onde é possível fechar completamente o 'registro' ou abrir controlando o fluxo entre um mínimo e um máximo. A grosso modo, generalizando bastante, podemos até comparar os transistores com relés, pois com estes interruptores eletromagnéticos podemos ligar e desligar sistemas com demandas de energia maiores utilizando um sinal elétrico bem mais baixo.
Parentes próximos dos diodos, os transistores tiveram um início comercial com os BJTs, que possuem aplicações até hoje!
Os BJTs
Nos desenhos abaixo vemos a simbologia dos BJTs, uma sigla para "Bipolar Junction Transistor" (Transistor de Junção Bipolar), um dos modelos mais comuns do mercado, sendo encontrado em versões NPN ou PNP, tal como os genéricos exemplos BC337, BC548 e BC558, super comuns entre os hobbystas.
Imagem 6 - Simbologia dos BJTs
Todo transistor BJT possui ao menos três terminais:
-> coletor (C);
-> emissor (E)
-> e base (B).
CURIOSIDADE: O transistor BJT também pode ser chamado simplesmnte de transistor bipolar. Quando a palavra "transistor" é mencionada sem especificar qual o tipo, isto é, BJT, JFET, MOSFET, Darlington ou outro, entendemos que ele é o tipo clássico, ou seja, um simples transistor bipolar.
Lembre-se: Os transistores NPN são compostos de duas camadas de semicondutores N e uma única camada intermediária de semicondutor P. Já os transistores PNP são inversos, pois possuem duas camadas P com uma camada intermediária N.
Portanto, quando o BJT é polarizado, são feitas duas junções PN:
-> uma entre a base (B) e o coletor (C);
-> e outra entre a base e o emissor (E).
Em uma analogia genérica, é como se fossem dois diodos interligados:
Diagrama 2 - um resumo visual bastante genérico do transistor
Note que a direção de polarização do diodo entre a base e o emissor está de acordo com a direção da seta do emissor na simbologia do componente, tanto no NPN, quanto no PNP. Esta seta indica o sentido que a corrente irá fluir pelo componente, ou seja, para um transistor NPN, a corrente sai do componente através do Emissor, diferentemente do transistor PNP, onde a corrente entra no componente através do Emissor.
-> Com a corrente elétrica sendo aplicada na Base do componente, os elétrons de um modelo NPN fluem do Emissor para o Coletor.
-> Para um transistor PNP, o conceito é o mesmo, porém, de uma maneira oposta, já que a corrente da Base faz com que o Emissor crie a ausência de elétrons com o Coletor, fazendo com que a corrente elétrica do Emissor flua para o Coletor.
OBSERVAÇÃO: A analogia do BJT como dois diodos é apenas um exercício mental para facilitar a compreensão de seu funcionamento, isto pois não é possível substitui-lo por dois diodos e obter o mesmo efeito. Na realidade, os dois diodos em "configuração NPN" só vão conduzir se forem alimentados através derivação "B" entre eles, fora isso vão barrar a passagem de energia pra qualquer direção. Já a "configuração PNP" só vai conduzir se a derivação "B" for chaveada pelo polo negativo, caso contrário serão apenas dois diodos conectados em anti-série.
CURIOSIDADE: Um ponto interessante sobre este modelo de transistor é que os BJTs feitos com semicondutor de Silício apresentam uma queda de tensão entre a Base e o Emissor de aproximadamente 0,7 V, e da mesma forma ocorre com os diodos.
Desta forma fica melhor de entender o que há de diferente entre os modelos. -> Em transistores NPN, para que a junção PN do Emissor seja polarizada, é necessário aplicar uma tensão superior à do Emissor na Base (Vbe > 0);
-> Em transistores PNP, para que a junção NP do Emissor seja polarizada, é necessário aplicar uma tensão inferior à do Emissor na Base (Vbe < 0).
Diagrama 3 - Polarização de um transistor BJT
OBSERVAÇÃO: A simbologia dos transistores comumente leva em conta o sentido teórico da corrente elétrica (indo do polo positivo para o negativo), entretanto, o sentido real é sempre do negativo para o positivo.
Para um transistor PNP, por exemplo, enquanto o emissor estiver em um nível lógico alto, para a polarização a base deverá ser alimentada por um nível lógico baixo.
Transistores bipolares só podem ser conectados a um circuito de três formas, e elas são conhecidas como "base comum", "coletor comum" e "emissor comum":
Diagrama 4 - Como um transistor bipolar pode ser conectado em um ciruito
Cada configuração resulta em um conjunto de características que podem satisfazer diferentes aplicações:
Tabela 1 - Características dos BJTs
Transistores bipolares são caracterizados pelo seu ganho de corrente, que pode ser baixo (α = Base Comum), médio (β = Emissor Comum) ou alto (γ = Coletor Comum). Como a configuração mais utilizada é a de Emissor Comum, vemos em muitas folhas de dados o ganho ser referido como hFE.
Em suma, datasheet informam o ganho com a sigla "hFE", enquanto conteúdos da internet usam a letra β.
O ganho é nada mais que a quantidade de vezes (fator de multiplicação) que uma corrente elétrica aplicada sobre o transistor bipolar pode ser amplificada. Por exemplo, um BJT que tenha 300 hFE vai amplificar até 300x a corrente.
Mesmo sendo fabricados num processo único, é normal que transistores de um mesmo tipo e de um mesmo lote não sejam exatamente iguais, apresentando pequenas diferenças de características, dentre elas o ganho. Desta forma, por exemplo, pegando diversos BC548, é notável que o hFE pode variar entre 125 e 800 vezes, o que é uma faixa muito grande de valores, todavia, prevista pelo fabricante.
Apesar de que, normalmente, quando se faz um projeto, é comum aplicar nos cálculos valores menores, de modo que, com qualquer cifra acima dele o circuito funcionará. Entretanto, existem situações onde é interessante escolher num lote de transistores aquele que tenha maior ganho, pois uma discrepância de ganhos influirá no desempenho da aplicação.
Para além do valor indicado no datasheet, o cálculo de ganho de corrente pode ser feito da seguinte forma:
Observe o gráfico com a curva característica de alguns transistores da Fairchild:
Gráfico 1 - Esta é a curva característica de um transistor BJT de Emissor Comum (β)
Para saber qual transistor utilizar em uma aplicação, devemos traçar a reta de carga sobre o gráfico Ic/Vce. Com esta reta descobriremos o ponto ideal de operação, que também é conhecido como ponto Quiescente, ou simplesmente "Q". Descoberto este limiar, podemos calcular os resistores necessários para a correta polarização do transistor. Para traçar esta reta é necessário:
-> Ter em mente o valor de tensão e corrente da fonte de alimentação do circuito;
-> A corrente de base utilizada;
-> A corrente máxima de coletor.
A ideia é que o ponto Q fique ao centro da reta de carga, isto pois, se a corrente elétrica entre Coletor e Emissor (Vce) for muito baixa, o transistor entrará numa região de operação conhecida como "saturação", deixando de funcionar correntamente. E se a corrente de Coletor (Ic) for muito baixa, o componente entrará em "corte" e não funcionará de vez:
Gráfico 2 - Como calcular o correto funcionamento de um transistor para amplificadores
EXEMPLO 1:
Ao projetar um rudimentar amplificador utilizando as informações do gráfico acima, suponha que a tensão da fonte de alimentação seja 16 Volts, enquanto a corrente de coletor (Ic) é de 80 mA. Para que o ponto Q fique mais próximo do centro da reta de carga, uma corrente de base (Ib) de 150 µA é escolhida:
Gráfico 3 - Traçando a reta de carga para calcular os resistores aplicados no amplificador
Ao fim, concluímos que a corrente de Coletor (Ic) que deverá ser usada para os cálculos é de aproximadamente 39 mA, enquanto a tensão entre Emissor e Coletor (Vce) deverá ser de aprox. 8,2 Volts. O ganho será de:
39 mA (Ic) / 150 µA (Ib) = 260 hFE (ou β = 260)
No exemplo acima, dá pra colocar mais estágios de amplificação, entretanto, como a corrente de saída é de 50 mA, o transistor aplicado no segundo estágio deverá ser mais 'parrudo' para aceitar em sua entrada estes 50 mA.
Para fixar o tópico, um Shorts do canal do You Tube do Professor Bairros sobre o ponto Quiescente:
Vídeo 1
E pra complementar o vídeo acima, mais um fragmento de conteúdo do mesmo canal:
Vídeo 2
Quando um transistor BJT é aplicado como chave, ele vai sempre operar entre seus extremos, isto é, ou em corte ou em saturação, funcionando tal qual um SCR ou TRIAC, todavia, em circuitos de corrente contínua e não de corrente alternada.
Diagrama 5 - Transistor aplicado como interruptor
E aqui está sua semelhança com relés, com a diferença de que não há partes mecânicas no componente semicondutor, e a desvantagem de conduzir baixos valores de corrente. Entretanto, relés de estado sólido (SSR) já são realidade no meio indústrial, só que usando tiristores e FETs.
Utilizando um transistor BJT PNP é possível fazer com que a lâmpada seja acionada quando a corrente de Base for cortada, enquanto um BJT NPN vai acionar a lâmpada apenas quando houver corrente na Base.
Neste ponto, um transistor Darlington pode ter um maior ganho, isto pois ele combina dois ou três transistores BJT ligados juntos dentro de um mesmo encapsulamento:
Imagem 7 - Simbologia da configuração Darlington
Agora, um Shorts do canal do You Tube do Professor Bairros sobre o Transistor Darlington:
Vídeo 3
Com dois transistores cujo ganho é 100 (β1 = β2 = 100) e conectados na configuração Darlington, o ganho seria, em teoria:
β2 x β1, ou seja, 100 x 100 = 10.000 hFE
Como você pode ver, o multiplicador aumenta muito. Na prática, este valor fica um pouco menor.
EXEMPLO 2
Há uma lâmpada de 100 W que é alimentada por uma fonte de tensão de 12 Volts. A corrente que passa pela lâmpada quando ela está acesa é:
100 / 12 = 8,33 A
A corrente de Coletor (Ic) que deve passar pelo transistor T2 é de 8,33 amperes.
Com dois transistores em Darlington, T1 com hFE = 25 e T2 com hFE = 100, qual será a corrente de base em T1 para acionar este consumidor?
β2 x β1, ou seja, 100 x 25 = 2.500
8,33 / 2500 = 3,332 mA
Lembre-se que as junções entre base e emissor provocam nos semicondutores de Silício uma queda de tensão de 0,7 V, logo, em Darlington a queda será próximo de 1,4 V.
Os FETs
Como vimos anteriormente, Julius Edgar Lilienfeld foi pioneiro no estudo dos FETs, Schockley também fez seus estudos práticos na década de 1940, mas até final dos anos 1960 os BJTs reinaram absoluto, enquanto os JFETs engatinhavam.
Mas o que são estes JFETs?
O JFET é um modelo de FET muito similar ao BJT, já que ele utiliza tanto a junção PN quanto o campo elétrico para ser polarizado. O seu nome é oriundo de suas características elétricas, já que JFET é a abreviação de "Junction Field Effect Transistor" (Transistor de Junção de Efeito de Campo). Assim como nos BJTs e FETs, esse modelo é subdividido em duas categorias: o JFET de Canal N e o JFET de Canal P.
Este componente possui uma camada de semicondutor tipo N ou tipo P conectado ao terminal "Drain" (Dreno), que atravessa todo o componente até o terminal "Source" (Fonte). Entre essa grande camada de semicondutor, há duas pequenas camadas de semicondutor tipo P ou tipo N nas extremidades laterais do componente e conectadas ao terminal "Gate" (Porta), como no seguinte diagrama:
Imagem 8 - Simbologia e configuração interna dos JFETs
Para entender o seu funcionamento, vamos utilizar um JFET de Canal N como exemplo. Assim como um diodo, os JFETs possuem uma zona de depleção ("Depletion Layer") nas margens da junção PN. Enquanto há uma tensão igual a zero entre os terminais Gate e Source (Vgs = 0) a zona de depleção é pequena, o que permite o fluxo de corrente (iD) do terminal Gate para o terminal Drain, como na imagem abaixo.
Diagrama 6
Já para interromper ou limitar a passagem de corrente no componente, é necessário aumentar a zona de depleção da junção PN, e para isso deve-se aplicar uma tensão reversa na mesma. Deste modo, a tensão no terminal Gate (Vg) deve ser menor que a tensão no terminal Source (Vs), provocando uma tensão negativa entre estes terminais (Vgs < 0). Levando isso em conta, quanto mais negativa a tensão entre estes terminais, menor é a passagem de corrente no componente. Haverá um momento em que as zonas de depleção serão tão grandes que estarão se encontrando, como na imagem abaixo.
Diagrama 7
Neste momento é criada uma zona de "pinch-off" (estreitamento), onde há pouco ou nenhum fluxo de corrente, resultando em um aumento na tensão entre os terminais Dreno e Source.
Para os JFETs de Canal P, a lógica é invertida, ou seja, a corrente é limitada quando a tensão no terminal Gate (Vg) for maior que a tensão no terminal Source (Vs). Em outras palavras, quando a tensão entre estes terminais for positiva (Vgs > 0).
A chegada dos MOSFETs
Ainda na década de 1940, Schokley teve uma ideia: E se “puxar” as cargas livres de um elemento semicondutor para a superfície? Isso formaria um “canal” onde os elétrons poderiam fluir mais facilmente!
Esse negócio de “puxar” as cargas livres pode ser conseguida por um efeito capacitivo: Coloca-se uma placa metálica sobre uma barrinha de Germânio ou Silício, sem que elas se toquem, e carrega-se positivamente a placa. No cristal semicondutor as cargas negativas livres deverão se aproximar da superfície formando um canal, fazendo a configuração eletrônica do cristal deixar de ser caótica e tornar-se ordenada, facilitando o fluxo de corrente elétrica.
No seguinte diagrama podemos visualizar o processo:
Diagrama 8 - A teoria por trás do efeito de campo
Foi uma baita ideia! Pena que não funcionou.
É claro que, praticamente toda a nova eletrônica de hoje em dia é baseada precisamente neste princípio, entretanto, na época, o “efeito de campo” foi abandonado e o que se seguiu deu origem ao transístor BJT e aos primeiros JFETs.
A ideia é controlar a corrente circulando entre os terminais Source e Drain. O terminal Gate é ligado a uma placa metálica, separada do cristal P por uma camada isolante formada por Óxido, em geral, Óxido de Silício (SiO2), formando um pequeno capacitor. Ao ser carregado positivamente, forma-se um canal de cargas negativas no material "P" perto do gate. Cria-se um “campo” eletrostático que é como se transformássemos esse pedaço de material "P" em material "N", fechando o circuito entre os dois pedaços "N".
O experimento de Schokley falhou por diversos motivos. Dentre eles, a pureza dos cristais e o desconhecimento da barreira de potencial das junções.
O diagrama acima é apenas um exemplo. O capacitor formado pelo material P e o Gate é feito de outra forma. Existe um quarto terminal, chamado de Bulk ou Body, ou então simplesmente "substrato".
Quando a tecnologia MOS (Metal Oxide Semiconductor) foi criada, lá em 1959, por Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng, também da Bell Labs, ele foi tido como uma curiosidade em vista de sua performance bastante inferior aos bipolares. Na primeira década, problemas relacionados à impurezas e estados de interface (definição do nível HIGH e LOW) prejudicaram sua expansão, portanto, foi um período de aprimoramentos. No início dos anos 1970 surgem as primeiras memórias DRAM pMOS e nMOS, mas somente ao final da década que a tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) foi finalmente lapidada, permitindo a implementação dos MOSFETs de forma definitiva, literalmente.
O termo "metal-óxido-semicondutor" é uma referência à estrutura física dos transistores de efeito de campo (FET) com um eletrodo metálico Gate (na verdade se usa Silício Policristalino) colocado por cima de um isolador de Óxido, que por sua vez está depositado sobre a combinação semicondutora, seja ela NPN ou PNP. Basicamente o que vimos no Diagrama 9.
Os MOSFETs são divididos em duas categorias:
-> NPN (Canal N);
-> PNP (Canal P).
...e cada uma dessas categorias é subdividida em outras duas categorias:
-> MOSFETs "Enhancement" (algo como "Enriquecimento", em Português);
-> MOSFETs "Depletion" (Depleção).
Na imagem abaixo temos as diferentes simbologias aplicadas aos MOSFETs, bem como sua configuração interna:
Imagem 9 - Note o quarto terminal
O dielétrico que separa o eletrodo Gate do restante do componente é destacado em azul, sendo normalmente feito de Dióxido de Silício. Caso queira saber mais sobre Óxidos metálicos e suas diversas aplicações na indústria de vidros e cerâmicas, mecânica e eletrônica, comece CLICANDO AQUI!
Perceba que na simbologia cotidiana os MOSFETs são representados com o Substrato ligado ao Source internamente.
Diagrama 9 - Como é um Transistor de efeito de campo por dentro
Note que a subdivisão do componente é feita de acordo com o semicondutor que está conectado aos terminais "Drain" (Dreno) e "Source" (Fonte ~ S) e com a camada intermediária que está conectada ao terminal "Substrate" (Substrato).
Além disso, também é possível observar, com os símbolos, a diferença entre os modelos Enhancement e de Depletion. O segundo possui os terminais Dreno, Fonte e Substrato interligados, diferentemente do primeiro, que possui estes terminais separados (mas lembre-se que o Substrato é ligado ao Source internamente).
A diferença entre o acionamento dos MOSFETs Enhancement e Depletion é que, para o primeiro, quando Canal N, por exemplo, não conduz corrente quando a tensão entre a Porta e a Fonte é menor ou igual a zero (Vgs < 0 ou Vgs = 0). A condução de corrente, por sua vez, é feita quando há uma tensão positiva entre os terminais Porta e Fonte (Vgs > 0).
Já para o MOSFET Depletion a condução de corrente é impedida somente quando a tensão entre os terminais Porta e Fonte é negativa (Vgs < 0), e a condução de corrente é permitida quando há uma tensão maior ou igual a zero nestes terminais (Vgs > 0 ou Vgs = 0). Tudo foi resumido na tabela a seguir:
Tabela 2
Note na tabela acima que, para os MOSFETs de Canal P, tanto os Enhancement quanto os Depletion, a lógica de acionamento é invertida. Em outras palavras, para primeiro a passagem de corrente é impedida quando a tensão entre os terminais Porta e Fonte é maior ou igual a zero (Vgs > 0 ou Vgs = 0), assim como para o MOSFET Depletion a passagem de corrente é impedida somente quando a tensão entre estes terminais é maior que zero (Vgs > 0).
No caso dos MOSFETs de canal P (também chamados de “invertidos”), é preciso aplicar uma tensão negativa no Gate para que o campo aplicado ao substrato forme uma região P condutora. Observe o gráfico:
Gráfico 4 - Repare nas semelhanças entre os gráficos dos BJT e dos MOSFETs
Agora observe a curva característica de um MOSFET de Canal N:
Gráfico 5 - Repare nas semelhanças entre os gráficos dos BJT e dos MOSFETs
-> Há um gráfico DRAIN-TO-SOURCE (Vds) para o MOSFET e um COLLECTOR-EMITTER VOLTAGE (Vce) para o BJT;
-> Há um gráfico GATE-TO-SOURCE (Vgs) para o MOSFET e um BASE-EMISSOR VOLTAGE (Vbe) para o BJT.
Diferente do BJT, onde uma simples tensão Vbe de 0,7 V é suficiente para iniciar a polarização, nos MOSFETs de Canal N é necessário mais que o dobro, isto é, cerca de 2 V, pois há uma 'barreira' maior entre Gate e Source. Veja que para os MOSFETs de Canal P é comum especificações baixas comparadas com os de Canal N, além de tensões Vgs negativas, em geral de -1,2 V para adiante.
É observável também que, como num transistor bipolar comum, há uma região linear em que o dispositivo trabalha como um amplificador, e uma região de corte e saturação em que o dispositivo trabalha como um comutador.
Gráfico 6 - Região linear (branca) e região de Corte/Saturação (Azul e Verde) de um MOSFET
OBSERVAÇÃO: Os transistores BJT são 'controladores de corrente' acionados por corrente. Já os FETs comportam-se como 'controladores de corrente' acionados por campo elétrico (tensão), e consequentemente não podem ser caracterizados por hFE (ganho), pois a corrente circulante entre Source e Drain não depende da corrente aplicada em Gate (que inclusive pode ser ínfima, considerando sua característica de capacitor em corrente contínua).
Para alem dos JFETs, os MOSFETs conseguem uma impedância de Gate muito elevada, na casa dos MΩ, podendo chegar ao GΩ, e por isso sua característica de corrente de acionamento extremamente baixa.
CURIOSIDADE: Nos MOSFETs há uma necessidade de se ter uma tensão Vgs em alguns casos acima e em outros abaixo de 5 Volts para sua comutação, e isso traz incompatibilidades quando pretendemos implementa-los em circuitos que usam lógica TTL. Assim, os 5 V que obtemos na saída dos circuitos integrados TTL são insuficientes para saturar um MOSFET. Talvez, com LVTTL (que opera em 3,3 Volts) pode ser mais fácil. Uma saída é usando um resistor pull-up (ligado ao positivo da alimentação com um CI open-collector).
No vídeo seguinte, um Shorts do canal do You Tube do Professor Bairros, vemos um resumo sobre a diferença entre um MOSFET canal P e um Canal N do tipo Enhancement:
Vídeo 4 - Identificando um MOSFET. Note que ele usa o sentido teórico da corrente (do positivo para o negativo)
Para um MOSFET podemos considerar a região que interliga o dreno à fonte, ou seja, o canal, como um resistor cuja variação de resistência não é linear (característico dos semicondutores). Quando uma tensão no Gate é aplicada, a inversão faz com que a resistência do mesmo reduza com a condução da corrente.
Nestes componentes a resistência elétrica sempre fica na casa dos mΩ (miliOhms), um valor muito baixo.
Imagem 10 - Fragmento de um datasheet da On Semiconductor para um MOSFET de Canal P (esquerda) e de um MOSFET de Canal N (direita)
Como o MOSFET utiliza portadores majoritários (a dopagem é maior) na sua operação, ele não armazena cargas e com isso pode ser muito mais rápido que os transistores BJT.
Um outro efeito muito importante que deve ser considerado vem justamente da física dos semicondutores.
Os materiais semicondutores de portadores minoritários têm um coeficiente negativo de temperatura, ou seja, sua resistência diminui quando a temperatura aumenta. Assim, os transistores bipolares tendem a diminuir a velocidade quando a temperatura aumenta e também a conduzir mais intensamente a corrente, levando a possibilidade da deriva térmica e danos. Por outro lado, os MOSFETs são dispositivos que operam com portadores majoritários, ficando mais rápidos quando a temperatura aumenta e também diminuindo a corrente de modo a compensar um efeito que causaria uma deriva térmica.
Perceba que nas simbologias de MOSFETs encontradas em datasheets é comum a existência de um diodo entre Source e Drain. Se trata de um diodo parasita intrínseco ao componente, isto é, uma consequência da construção dos MOSFETs.
Este diodo serve justamente como elemento de proteção na comutação de cargas indutivas (diodo clamp). Não existe este diodo nos transistores BJTs, exceto nos Darlingtons de potência, onde é necessária a sua inclusão.
Tabela 3 - Carcaterísticas de um diodo parasita num MOSFET de Canal P
Apesar de não ter potencial de armazenar cargas, perceba que há uma semelhança entre o MOSFET e o capacitor. A separação de cargas elétricas ao longo do material P (ou N nas configuração PNP) permite uma condução apenas na região próxima ao dielétrico (Metal Oxide Insulator), já que o substrato também ajuda a criar o canal de condução formando uma zona de depleção.
Os valores típicos das capacitâncias encontradas num MOSFET qualquer são da ordem de picoFarads (pF). Contudo, estas capacitâncias são indicadas de outra forma nos datasheets, conforme se segue:
Onde:
-> Ciss: É a capacitância de entrada terminal Gate em relação ao Drain e Source;
-> Coss: É a capacitância de saída, medida com o Gate ligado ao Source.
-> Crss: É a capacitância de transferência inversa.
Observe:
Tabela 4 - A capacitância de um simples MOSFET de Canal P
As capacitâncias encontradas em MOSFETs de Canal N podem ser ainda maiores:
Tabela 5 - A capacitância de um MOSFET de Canal N
Exatamente o oposto de transistores BJT, que possuem não muito mais que algumas dezenas de picoFarads.
CURIOSIDADE: Uma aplicação forte para os MOSFETs é, sem dúvida, circuitos TFT de displays LCD e OLED. Como se tratam de matrizes de pixels alimentadas através de eletrodos e capacitores, os transistores funcionam como chaves ligando e desligando cada subpixel da tela no momento certo:
Diagrama 10 - Cada pixel de uma tela LCD ou OLED é formada por um circuito deste
Caso queira saber mais sobre o funcionamento das telas LCD e OLED, aconselho CLICAR AQUI! (PARTE 1 sobre LCDs), CLICAR AQUI! (PARTE 2 sobre LCDs) e CLICAR AQUI!
O que é CMOS?
Também sendo nomeado como Complementary-Symmetry Metal–Oxide–Semiconductor (COS-MOS) é um tipo de processo de fabricação que utiliza Silício (que novidade!) para a criação de MOSFETs. Tal tecnologia foi criada por Frank Wanlass e Chih-Tang Sah em 1963, na Bell Labs (novamente!), e utiliza pares simétricos de MOSFETs P-Channel e N-Channel para funções lógicas.
Diagrama 11 - Este desenho pode lhe ser bastante familiar
CURIOSIDADE: Nos circuitos integrados CMOS, é comum que em algum lugar do datasheet estejam listadas infomações sobre capacitâncias em entradas e saídas de dados, endereços e clocks, por exemplo, e os valores são bastante baixos, também listados em pF.
Tabela 6 - Simples chips de memória SDRAM são constituídos por milhões de MOSFETs (e também capacitores) e apresentam ínfimos valores de capacitância
Note que não se tratam de transistores de potência, portanto, a totalidade da capacitância medida nas entradas e saídas de um chip pode ser ínfima.
A Lógica TTL e LVTTL com seus transistores BJT reinavam nas interfaces de comunicação de hardware de PC até a implementação progressiva dos transistores de efeito de campo. A partir do padrão DDR de memórias RAM e das interfaces USB, SATA e PCI Express só vimos circuitos que implementam transistores MOSFET, reduzindo assim espaço ocupado nos chips, as tensões, correntes, interferências e consumo de energia, permitindo um amplo e constante aumento de desempenho.
Para começar a entender mais sobre interfaces de comunicação digitais seriais e paralelas, clique na figura abaixo!
Propaganda de conteúdo do HC!
A tecnologia CMOS é usada para construir chips de circuito integrado (CI), incluindo microprocessadores, microcontroladores, chips de memória RAM e ROM e outros circuitos lógicos digitais.
A vantagem real dos MOSFETs é que o capacitor formado entre o Gate e o semicondutor só terá fluxo de corrente elétrica no momento de sua carga ou descarga. Uma vez que a carga é estabelecida, não há consumo de energia, ou, pelo menos, é bem próxima de zero. Isso difere um bocado dos BJT, onde a polarização direta base-emissor é essencial para o efeito de amplificação, tendo assim um maior consumo.
CURIOSIDADE: Para se aprofundar no funcionamento dos capacitores, comece CLICANDO AQUI e CLICANDO AQUI!
Outro detalhe é que, em teoria, podemos fazer o espaço entre os cristais ligados à fonte e ao dreno tão próximo quanto possível. Isso não é possível com o BJT, onde o tamanho do cristal da base, em relação aos outros dois, é importante.
CURIOSIDADE: De fato, se você der uma olhada nas especificações de microprocessadores modernos, já temos produtos chegando aos 3 nm. Interfaces rudimentares que ainda fazem uso de transistores BJT (quando implementadas) acabam ficando em chipsets ou, como é mais comum hoje em dia, num controlador generalista tal qual o Super I/O. Para conhecer o Super I/O e suas funções, CLIQUE AQUI!
Até a década de 1990, a "medida dos chips" era referenciada pelo menor elemento que poderia ser costruído com o processo de litografia. Na época, os chips começaram a cair dos micrometros (µm) para nanometros (nm). Pois bem, isto significava uma progressiva redução do comprimento do Gate dos transistores MOSFET, os menores itens dentro de um circuito integrado. Note que nem estamos nos referindo ao tamanho dos transistores em si, mas sim ao tamanho de 'um pedaço' de cada transistor, e isto significa que, se um determinado chip usava litografia de 350 nm, o Gate tinha um comprimento de 350 nm, logo, era o que existia de menor dentro de um chip.
No entanto, a partir do processo de 250 nm, lançado em 1997 pela Intel - um símbolo do Vale do Silício -, o padrão perdeu sua identidade, pois os transistores vieram com Gate de 200 nm, e aí começou a bagunça. O processo de 250 nm não especificava o menor elemento que compunha um chip.
A partir do processo de 45 nm, a própria Intel percebeu que um Gate de 25 nm de comprimento era o 'tamanho ideal' em termos de estabilidade elétrica, já que estamos falando de uma espécie de "nanocapacitor". Quando o processo de 32 nm foi lançado, o Gate foi até aumentado um pouco além dos 25 nm, e por volta deste valor ele se mantém até hoje, enquanto o restante do chip foi reduzido sem afetar a estabilidade.
Atualmente existem vários players no mercado, tais como Global Foundries, Intel, Samsung e TSMC, e cada um com seus maquinários (apesar de que muita ferramentaria é fornecida pela ASML), tornado 'os nanômetros' do chip ainda mais genéricos. Por este fato, quando referenciam um determinado produto como 'fabricado num processo de 5 nm', por exemplo, estão apenas querendo padronizar a geração do processo de litografia numa tentativa de fazer equivalência entre fabricantes diferentes. Lembre-se da "crise criativa" da Intel e seus '14 nm+++++++++++++' a alguns anos atrás. Isso rendeu muitos memes, mas é apenas um valor genérico...
Imagem 11 - Um dos memes relacionados ao atraso na evolução da miniaturização dos chips Intel perante a concorrência
Este valor em nanômetros que nivela cada geração de chips é definido por uma associação chamada ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), na qual participam os players supracitados e várias outras marcas do setor.
Outro fator importante é que os processos de fotolitografia de última geração são aplicados em circuitos integrados voltados para 'processamento massivo de dados', tais como CPUs, SoCs e GPUs, enquanto processos mais antigos e consolidados são aplicados em chipsets de interconexão, alguns tipos de memória, microcontroladores, além de vários outros chips. Lembre-se do velho chipset nVidia MCP68, feito em 90 nm, que em pleno 2012 ainda era implementado nas placas-mãe de entrada para a plataforma AM3+, que nesta altura já fazia uso do processo de 32 nm nos processadores AMD FX Series.
Este é apenas um início das nossas profundas discussões sobre os transistores. Além do mais, este é um artigo "pivô" para muito conteúdo já publicado no blog, se tornando de fundamental leitura para se entender vários outros temas relacionados.
Dada a minha maior relação com a mecânica nos últimos anos, acabei 'enferrujando' na eletrônica, e por isso recorri à vários experts da área para 'esculpir' esse texto piloto sobre BJTs e FETs. Nesta publicação há conteúdo do canal do You Tube do Professor Bairros, informações retiradas do livro de Eletrônica e do livro de Hardware do Gabriel Torres, muita coisa do mestre Newton C. Braga, além de fragmentos das minhas anotações do curso de eletrônica básica que fiz em 2015.
Caso reste alguma dúvida ou note alguma incongruência nas explicações - até mesmo erros de gramática -, peço que escreva para hardwarecentrallr@gmail.com e ajude a tornar o HC mais forte!
FONTES e CRÉDITOS:
Texto: Leonardo Ritter;
Diagramas e Imagens: Leonardo Ritter; Fairchild Semiconductor, On Semiconductor; ST Microelectronics; Micron Technology; Google Imagens.
Fontes: areatecnologia; tallerelectronica; Embarcados; Newton C. Braga (site); Professor Bairros (You Tube); datasheets de transistores; livro Eletrônica para Autodidatas, Entusiastas e Técnicos (2016, Gabriel Torres); Livro Hardware (2022, Gabriel Torres); Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).