Capítulo 015

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Transistores: BIPOLAR, JFET e MOSFET
Na atualidade, existe uma grande variedade de aparelhos eletrônicos, tais como televisores, vídeos, equipamentos musicais, relógios digitais e, como não, computadores; embora, aparentemente sejam muito distintos entre si, todos eles têm algo em comum: os dispositivos eletrônicos de que estão constituídos. 
Os transistores são uns dos dispositivos mais importantes. São construídos com materiais semicondutores mas com estruturas mais complexas que os diodos. São a base da eletrônica e um dos objetivos atuais é ir reduzindo o seu tamanho continuamente. 
Como já sabemos, se temos um material semicondutor tipo P e um de tipo N, e os juntamos, esta união dá origem ao diodo: peça básica de qualquer circuito eletrônico. Este tipo de união P-N não é a única que se pode fazer com materiais semicondutores. 
A ampliação mais simples que se pode fazer a uma união P-N é simplesmente acrescentar-lhe de novo outra camada de semicondutor tipo P ou tipo N. É assim se obtém o que se conhece com o nome de transistor de união bipolar. Um transistor bipolar é a união de um material semicondutor tipo P, um do tipo N e de novo outro do tipo P; este seria o caso de um transistor P-N-P. Pelo contrário, se uníssemos dois materiais tipo N mais um do tipo P, no meio deles obteríamos um transistor tipo N-P-N. 
Vemos pois que existem dois tipos de transistores conforme a sua estrutura interna. Embora, aparentemente, ambos são muito similares, as suas características de funcionamento vão ser opostas. 
Transistores N-P-N e P-N-P 
Vamos centrar-nos nos transistores tipo N-P-N e depois explicaremos os P-N-P.
 Cada uma das três seções que formam o transistor recebe um nome: a da direita é o "coletor", a do centro a "base" e a da esquerda o "emissor".
O coletor é a parte que “recebe” algo, o emissor a que o "emite" e a base é a zona intermédia de controle por onde vai passar a corrente. Este "algo" vão ser elétrons ou lacunas através das uniões P-N, conforme o tipo de transistor de que falemos.
A zona de semi-condutor que está no meio, isto é, a base, sempre é menor que as dos dois extremos, emissor e coletor, bem seja em transistores P-N-P ou N-P-N.
Como podemos ver, embora a sua estrutura não seja excessivamente complicada, seria um tanto "chato" ter que desenhá-la num circuito cada vez que nos referíssemos a 
eles, assim pois, este tipo de transistores se representam esquematicamente com o símbolo que aparece na ilustração correspondente. 
Como vimos nas uniões P-N para que este tipo de dispositivos funcione, é necessário aplicar-lhes uma diferença de potencial externa. Conforme se ligue este potencial, vamos obter uma polarização inversa ou direta. Pois bem, agora, como temos duas uniões, tudo se multiplica por dois, vamos ter que ligar duas baterias externas, uma por cada união, e podemos ter cada união polarizada de uma forma, isto é, as duas polarizadas inversamente, as duas diretamente, ou uma inversa e a outra diretamente. 
Conforme tenhamos polarizadas estas uniões, o transistor se comportará de uma maneira distinta. Diremos então que estamos trabalhando numa ou noutra "zona".
A união entre a base e o coletor será denominada a partir de agora Jc, e à união da base e o emissor, Je.
 Podemos trabalhar em três zonas, conforme estejam polarizadas estas uniões: se a união Je está diretamente polarizada e a Jc inversamente polarizada, diz-se que o transistor está funcionando em zona ativa. 
Se as duas uniões estão diretamente polarizadas se denomina zona de saturação, e se estão inversamente polarizadas diz-se que o transistor está em zona de corte.
 
Conforme liguemos as duas baterias ao transistor podemos conseguir quatro combinações diferentes: o emissor ligado ao borne positivo da bateria 1 e o coletor ao borne positivo da bateria 2. 
Outra combinação seria o emissor ao borne positivo da bateria 1 e o coletor ao borne negativo da bateria 2; na terceira combinação teríamos o emissor ao borne negativo da bateria 1 e o coletor ao borne positivo da 2 e, por último, o emissor ligado ao borne negativo da 1 e o coletor ao borne negativo da 2. 
A partir de agora, vamos se basear nos transistores N-P-N. Ligamos o emissor com o borne negativo de uma bateria, e o coletor com o borne positivo da outra.
 Fazendo um inciso, diremos que à corrente do emissor chamaremos Ie, a do coletor Ic e a da base Ib. 
Para entender o modo de funcionamento de um transistor vamos recordar como se comportam as uniões P-N ao ligá-las a uma bateria. Primeiramente suporemos ligada a bateria A e desligada a B, depois ligaremos a B desligando a 
A, para finalizar ligando as duas ao mesmo tempo. 
Se só temos a bateria A com o seu borne negativo ligado ao emissor e o positivo ligado à base, e deixássemos o coletor sem unir à base (ao ter desligada a bateria B), teríamos uma união P-N, isto é, um diodo, polarizado diretamente. Os elétrons (portadores majoritários) passam do emissor (N) à base (P), ao serem atraídos pelo borne positivo da bateria produzindo uma corrente bastante intensa.	
Se desligamos a bateria A (que une a base com o emissor) e ligamos a B (para unir o coletor com a base), colocando o borne positivo com o coletor e o negativo com a base, temos uma união P-N inversamente polarizada e, portanto, não se produz passagem de corrente elétrica.
 Mas o que é que acontece ao ligarmos as duas baterias ao mesmo tempo? A união do emissor com a base (Je) está polarizada diretamente (emissor ligado ao borne negativo e a base ao borne positivo da bateria A) pelo que a barreira de potencial que há entre eles é muito estreita. No entanto, na união base-coletor, Jc, ao estar polarizado inversamente (coletor ligado ao borne positivo e base ao borne negativo da bateria B), a barreira de potencial é bastante larga. Ao termos ligado as duas baterias começa "o movimento", os elétrons (portadores majoritários no material tipo N) começam a deslocar-se a partir do emissor (tipo N) à base tipo (P), aproximando-se ao coletor (tipo N), e conseguem atravessar a união base-coletor graças à "atração" que lhes produz o borne positivo da bateria à que está ligado o coletor.
 Porque é que não se recombinam os elétrons e as lacunas da base? A base é muito mais estreita que o emissor e o coletor; também está muito menos "dopada", pelo que os buracos livres (portadores majoritários) são muito escassos. De maneira que é muito difícil que um elétron encontre uma lacuna para recombinar-se, seguindo o seu caminho atraído pelo potencial do coletor. A corrente de base vai ser pequena ao haver poucos elétrons e lacunas que se recombinem, a do emissor e do coletor serão maiores ao produzir-se elétrons no borne negativo da bateria unida com o emissor, que vão atravessar este, para passar depois pela base e acabarão atravessando o coletor para irem para ao borne positivo da outra bateria. 
Conforme incrementamos a polarização direta assim aumentará o número de elétrons do emissor que se
desloquem, crescendo ao mesmo tempo a corrente de coletor, emissor e base. Se diminuímos esta polarização descerão todas as correntes até chegar a um ponto em que o transistor pode ficar cortado e não conduzir a corrente.
 Ao potencial ligado ao emissor se denomina Vee e ao ligado ao coletor Vcc; aumentar o seu valor ou diminuí-lo é a forma que temos para aumentar ou diminuir as polarizações.
Os outros transistores que nomeamos são os P-N-P, cujo funcionamento é muito parecido ao dos que acabamos de explicar (N-P-N). Nos P-N-P o emissor é um semicondutor de tipo P, pelo que os seus portadores majoritários vão ser as lacunas em vez dos elétrons, a base é do tipo N portadores majoritários os elétrons) e o coletor é de tipo P (portadores majoritários as lacunas). As baterias também vão estar colocadas de distinta forma, o borne positivo de uma bateria vai estar unido ao emissor, e o borne negativo desta mesmabateria vai estar unido à base, pelo que esta união vai estar polarizada diretamente; por outro lado o coletor e a base vão estar unidos por outra bateria com o seu borne negativo ligado ao coletor e o positivo à base, aqui a polarização vai ser inversa. 
O funcionamento nestes transistores é praticamente igual ao dos anteriores, a diferença mais notável é que no P-N-P o que está se movendo são as lacunas, no lugar dos elétrons, a partir do emissor, atravessando a base até chegar ao coletor, portanto o sentido da corrente exterior vai ser inverso ao serem inversos os sentidos do movimento de lacunas e de elétrons. 
Nos P-N-P também nos encontramos com que a base é muito estreita e está muito pouco dopada, pelo que a recombinação de lacunas e elétrons volta a ser pequena e, em consequência, a corrente de base também o será. No entanto, as correntes de emissor e coletor são grandes, como no caso anterior. 
Transistores de efeito campo –FET
É evidente que as formas em que podemos juntar os dois tipos de semicondutores são numerosas e variadas, e cada uma delas, certamente, teria umas características particulares. No entanto não se trata de formar uniões P-N e N-P à vontade, o que realmente nos interessa desta grande quantidade de combinações de semicondutores são aquelas cujas propriedades sejam "úteis" em relação aos nossos propósitos nos circuitos eletrônicos e que assim possamos usá-las.
 Assim pois, vamos agora ver dois novos tipos de transistores. Se trata do JFET cujo nome provém do inglês (Junctiom field effect transistor, ou bem, transistor de efeito campo de união) e do Mosfet (Metal oxide field semicondutor effect transistor), isto é, transistor de efeito campo com semicondutor de óxido de metal. 
O MOSFET também se conhece com o nome de IGFET (Isolated gate FET), FET de porta isolada. 
Em geral quando quisermos referir-nos a ambos em conjunto, os agruparemos com nome de FET. 
Transistor JFET
O primeiro deles, o JFET, já não se trata de uma combinação tão simples entre os semi-condutores como no caso dos transistores N-P-N, P-N-P. Agora a forma de obtê-los é algo mais "rebuscada". No entanto, as suas propriedades fazem que valha a pena a sua fabricação, dado que são utilizados em grande medida pelos fabricantes de circuitos eletrônicos.
 Por sua vez existem dois tipos de transistores JFET. A razão é simples: se tomamos um deles e mudamos os tipos de semi-condutores, isto é, onde há semicondutores de tipo P pomos semicondutores de tipo N e vice-versa, obtemos outro transistor JFET mas de características distintas. 
Assim pois, para distingui-los, chamamos o primeiro de JFET de canal p e o segundo de JFET de canal n. Veremos como as propriedades de ambos não só são distintas mas opostas.
 
Para explicar o seu funcionamento há que ter em conta que temos dois tipos distintos de tensões. Isto é devido ao fato do JFET constar de três semicondutores unidos e portanto existem duas zonas de união entre eles. Assim pois, vamos considerar a diferença de potencial entre dreno (drain) e fonte (source) à que chamaremos Vds, e a diferença de potencial entre porta (gate) e fonte a qual estará representada por Vgs. 
Estudar as características de um transistor consiste em "brincar" com as duas tensões de que dispomos, aumentando-as, diminuindo-as e observando que ocorre com a corrente que o atravessa. 
Para estudar o seu comportamento, vamos deixar fixa a tensão entre a porta e a fonte, Vgs, e vamos supor que variamos a tensão entre o drenador e a fonte, Vds. A resposta do transistor a este tipo de variações podem ser vistas no gráfico.
Se podem distinguir três zonas conforme vamos aumentando o potencial Vds, estas são: zona ôhmica, zona de saturação e zona de ruptura. Na zona ôhmica, o transistor se comporta como uma resistência (ôhmica), isto é, se aumentamos o potencial, Vds, cresce a corrente (I) na mesma proporção; esta situação se mantém assim até que o potencial alcança um valor aproximadamente de uns cinco volts. A partir deste valor, se continuamos aumentando essa diferença de potencial entre dreno e fonte, isto é, se continuamos aumentando Vds, o transistor entra na zona de saturação. Aqui o seu comportamento é totalmente distinto ao anterior, dado que, embora continue aumentando Vds, a corrente permanece constante. Se continuamos aumentando o potencial Vds de novo, chegamos a um valor deste a partir do qual o comportamento do transistor volta a mudar. Este valor será da ordem de 40 volts. Dizemos então que entramos na zona de ruptura. A partir deste ponto a corrente I pode circular livremente, independentemente de que sigamos aumentando o valor de Vgs. É esta a razão pela qual os JFET se podem utilizar como interruptores de aceso e apagado (ON/OFF); propriedade fundamental na computação. Um JFET se encontra em estado OFF (interruptor fechado) quando Vds é zero, dado que não passa corrente alguma, e em estado ON (interruptor aberto) quando Vds ultrapassa os 40 volts. 
Evidentemente, estes valores reais dependerão do tipo de transistor do que falemos, dado que existem FET para circuitos integrados e FET de potência; estes últimos com valores algo maiores que os primeiros. 
Transistores MOSFET 
Por último, vamos falar do transistor mais utilizado na atualidade, isto é, do MOSFET. A estrutura deste transistor é a mais complicada dentre todos os vistos até agora. Consta dos já conhecidos semicondutores P-N, colocados agora de uma nova forma, e de um original material isolador, como é o dióxido de silício; esta pequena adição da camada do óxido vai mudar consideravelmente as propriedades do transistor respeito às que tinha o JFET. Existem dois tipos de MOSFET: quando tenhamos uma zona de tipo P e dois de tipo N o chamaremos MOSFET de canal n (o NMOS) e, pelo contrário, se há uma única zona de tipo N e outras duas de tipo P se chamará MOSFET de canal P (o PMOS). 
Inicialmente, foram os transistores PMOS mais utilizados que os NMOS devido à sua maior fiabilidade, melhor rendimento e maior simplicidade na fabricação. No entanto, as melhorias na tecnologia de produção destes transistores fizeram que os PMOS fiquem relegados a um segundo plano. A razão disto se deve a que os PMOS estão baseados na mobilidade das lacunas, e os NMOS funcionam graças ao movimento dos elétrons, e estes são aproximadamente três vezes mais rápidos que as lacunas.
 Apesar de parecer mais complicada, à primeira vista, a sua estrutura, são mais fáceis de fabricar que os transistores de união bipolar BJT e outra das suas vantagens é que ocupam menos espaço. Esta é uma das razões pelas que os sistemas integrados, isto é, aqueles que possuem um grande número de componentes em muito pequeno espaço, usam principalmente este tipo de transistores em lugar dos BJT. Outra razão é que os MOSFET se podem ligar de tal forma que atuem como capacitores ou como resistores. Portanto, podemos conseguir resistores ou capacitores do tamanho de um MOSFET, o qual é muito menor que os resistores ou capacitores que podemos observar ao abrir qualquer aparelho eletrônico. Assim pois, existem circuitos completos que estão exclusivamente compostos de MOSFET. 
Resumindo, acabamos de conhecer vários dispositivos eletrônicos para incorporar aos nossos circuitos; estes são: os transistores de união bipolar (BJT), os transistores de efeito campo (JFET) e os FET com uma camada de óxido metálico , os MOSFET.
Adaptado do “curso de eletrônica” da Editora F&G S.A (1995)
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Na foto se pode apreciar o tamanho de um transistor comparando-o com um dedo.
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O NMOS é um transistor muito utilizado em aparelhos eletrônicos.
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Os PMOS estão baseados na mobilidade dos espaços para o seu funcionamento.
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O interior dos famosos "chips" é uma "teia" de transistores, ligados uns com aos outros.
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Para representar os transistores bipolares usamos os símbolos que se mostram na figura.
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No processo de fabricação dos transistores vão se formando microscópicas camadas dos diferentes materiais.
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O JFET de canal p é formado por dois semicondutores tipo N e um tipo P.
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No gráfico se observa o comportamento de um JFET conforme vamos aumentando a tensão Vds.
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Os JFET estão representados pelos símbolos elétricos que os acompanham. O da figura é um JFET de canal n.
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Os semicondutores são a base da eletrônica. As diferentes combinações de materiais do tipo P com materiais do tipo N constituem os diferentes dispositivos eletrônicos.
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Este é um transistor bipolar do tipo N-P-N. Com as duas baterias ligadas conseguimos que a corrente circule através dele.
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Todos os aparelhos eletrônicos que nos rodeiam estão compostos por diminutos transistores.