Aprenda como funciona um transistor!
O transistor deu origem a muitas outras invenções incluindo os circuitos integrados (CIs), pequenos dispositivos que contêm milhares de transistores. Graças aos CIs, os computadores modernos e outros milagres eletrônicos tornaram-se possíveis. Pensando nisso, separamos um artigo completo sobre a função do transistor. Então, vamos lá pessoal!
O que é transistor?
Em 1951, Willian Shockley inventou o primeiro transistor de junção, um dispositivo eletrônico semicondutor que pode amplificar um sinal eletrônico como um sinal de rádio ou de televisão, além de agir como um interruptor eletrônico.
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O transistor é um componente semicondutor construído, assim como o diodo, por um processo de dopagem.
Transistor não polarizado
Uma forma de aumentar a condutividade de um semicondutor é pelo processo de dopagem, que consiste na adição de átomos de impureza ao cristal intrínseco a fim de alterar a sua condutividade elétrica.
Um semicondutor dopado é chamado de semicondutor extrínseco. Controlando a quantidade de impurezas, é possível controlar as propriedades do semicondutor.
Diferente de outros dispositivos semicondutores como o diodo, o transistor tem três regiões dopadas, conforme mostrado na imagem abaixo.
Transistor não polarizado.
O sinal negativo representa os elétrons livres e o sinal positivo representa as lacunas do transistor.
A região inferior do transistor é chamada de emissor, a região do meio é a base e a região superior é o coletor.
Em um transistor real, a região da base é muito mais estreita se comparada com as regiões do coletor e do emissor.
Lembre-se de que os portadores majoritários são os elétrons livres em um material tipo n e as lacunas em um material tipo p.
Os transistores podem ser produzidos como dispositivos pnp ou npn. No transistor npn existe uma região p entre duas regiões n, já no transistor pnp existe uma região n entre duas regiões p.
Níveis de dopagem
O emissor é fortemente dopado e a base é fracamente dopada. O nível de dopagem do coletor é intermediário, entre a forte dopagem do emissor e a fraca dopagem da base.
Além disso, o coletor é, fisicamente, a região mais larga das três.
Os diodos emissor e coletor
No transistor mostrado anteriormente, é possível observar duas junções: uma entre o emissor e a base, e outra entre o coletor e a base.
Por isso, o transistor é similar a dois diodos virados costa a costa. O diodo debaixo é chamado de diodo-base emissor ou simplesmente diodo emissor. O diodo de cima é chamado de diodo-base coletor ou diodo coletor.
Antes e depois da difusão
Ainda analisando a figura mostrada anteriormente, é possível ver as regiões do transistor antes de acontecer a difusão. Os elétrons livres na região n se difundem através da junção e se recombinam com as lacunas na região p.
Visualize os elétrons livres em cada região n cruzando a junção e recombinando-se com as lacunas, o resultado é duas camadas de depleção.
Para cada uma dessas camadas de depleção, a barreira de potencial é cerca de 0,7V na temperatura de 25°C para um transistor de silício e 0,3V a 25°C para um transistor de germânio.
Vamos enfatizar os dispositivos de silício, porque eles são mais usados do que os de germânio.
Transistor polarizado
Ao conectar uma fonte de tensão externa no transistor, obtém-se circulação de corrente em diferentes partes do transistor.
O emissor fortemente dopado tem a seguinte função: emitir ou injetar elétrons livres na base. A base fracamente dopada tem também uma função bem definida: passar os elétrons injetados pelo emissor para o coletor.
Já o coletor, como o nome sugere, coleta ou captura a maior parte dos elétrons da base.
Veja na imagem abaixo um modo usual de polarizar um transistor.
Polarização de um transistor.
A fonte da esquerda (Vbb) na imagem, polariza diretamente o diodo emissor e a fonte da direita (Vcc) polariza reversamente o diodo coletor.
Embora sejam possíveis outros métodos de polarização, o diodo emissor polarizado diretamente e o diodo coletor polarizado reversamente são os que produzem os melhores resultados.
No instante em que a polarização direta é aplicada no diodo emissor, os elétrons no emissor ainda não penetraram na região da base.
Se Vbb for maior que a barreira de potencial base-emissor, os elétrons do emissor entrarão na região da base, conforme mostrado na imagem abaixo.
Polarização de um transistor.
Elétrons na base
Teoricamente, esses elétrons livres podem circular em qualquer um dos dois sentidos.
Primeiro, eles podem circular para a esquerda e sair pela base, passando através de Rb, e indo para o terminal positivo da fonte. Segundo, os elétrons livres podem circular para o coletor.
A maioria deles seguirá para o coletor por duas razões: a base é fracamente dopada e muito estreita.
Uma dopagem fraca significa que os elétrons livres têm um tempo de vida maior na região da base.
A região da base muito estreita significa que os elétrons livres têm uma distância curta para chegar ao coletor.
Por essas duas razões, quase todos os elétrons injetados pelo emissor passam da base para o coletor.
Apenas um pouco de elétrons livres se recombinam com as lacunas na base fracamente dopada. Depois como elétrons de valência, eles circularão pelo resistor da base para o lado positivo da fonte Vbb.
Elétrons no coletor
Uma vez que os elétrons livres estão dentro do coletor, eles são atraídos pela fonte de tensão Vcc.
Por isso, os elétrons livres circulam através do coletor e de Rc, até alcançarem o terminal positivo da fonte de tensão do coletor.
De forma resumida:
- Vbb polariza diretamente o diodo emissor, forçando os elétrons livres do emissor a entrar na base.
- A base estreita e fracamente dopada dá a quase todos os elétrons tempo de vida suficiente para se difundirem no coletor
- Esses elétrons circulam pelo coletor e, através de Rc, entram no terminal positivo da fonte de tensão Vcc
Correntes no transistor
Para entender as correntes no transistor, veja a imagem abaixo que mostra o símbolo esquemático para um transistor npn com o fluxo de corrente convencional.
Símbolo de um transistor npn.
Existem três correntes diferentes num transistor: a corrente no emissor (Ie), a corrente na base (Ib) e a corrente no coletor (Ic).
Como o emissor é uma fonte de elétrons, ele tem a maior corrente.
Como quase todos os elétrons circulam para o coletor, a corrente no coletor é aproximadamente igual à corrente no emissor.
Já a corrente na base é muito menor se comparada com essas outras correntes, quase sempre menor que 1% da corrente do coletor.
De acordo com a lei das correntes de Kirchhoff, a soma de todas as correntes que entram num nó ou junção é igual à soma das correntes que saem desse nó ou junção.
Quando aplicada a um transistor, a lei das correntes de Kirchhoff fornece-nos esta importante relação: Ie = Ic + Ib.
Veja na imagem abaixo, o símbolo esquemático para um transistor pnp e suas correntes.
Símbolo de um transistor pnp.
Observe que as correntes estão em sentidos opostos em relação ao transistor npn e que a relação Ie = Ic + Ib continua verdadeira para as correntes do transistor.
Regiões de operação
Um transistor tem quatro regiões de operação distintas: ativa, corte, saturação e ruptura. Os transistores operam na região ativa quando são usados como amplificadores de sinais fracos.
A região ativa é algumas vezes chamada de região linear porque variações no sinal de entrada produzem variações no sinal de saída.
As regiões de saturação e corte são usadas nos circuitos digitais e circuitos de computador, referidos como circuitos de chaveamento.
Veja no vídeo abaixo o funcionamento do diodo.
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Sobre o autor
Eletricista desde 2006, Henrique Mattede também é autor, professor, técnico em eletrotécnica e engenheiro eletricista em formação. É educador renomado na área de eletricidade e um dos precursores do ensino de eletricidade na internet brasileira. Já produziu mais de 1000 videoaulas no canal Mundo da Elétrica no Youtube, cursos profissionalizantes e centenas de artigos técnicos. O conteúdo produzido por Henrique é referência em escolas, faculdades e universidades e já recebeu mais de 120 milhões de acessos na internet.
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