Transistor: o que é, tipos, função e aplicações

Neste tópico, vamos mergulhar no universo dos transistores, componentes essenciais na amplificação e controle do fluxo de corrente elétrica em circuitos, garantindo o funcionamento preciso dos dispositivos eletrônicos. Ao compreender o que é transistor, seus princípios básicos dos transistores, os diferentes tipos disponíveis, suas características elétricas, aplicações e configurações em circuitos, estaremos prontos para utilizar esses conhecimentos em uma variedade de projetos eletrônicos.

O que é transistor?

Os transistores são dispositivos semicondutores fundamentais na eletrônica moderna. Eles são usados para amplificar ou controlar o fluxo de corrente elétrica em circuitos eletrônicos. Em essência, os transistores atuam como interruptores ou amplificadores de corrente, permitindo o controle preciso do fluxo de elétrons em um circuito. Existem diferentes tipos de transistores, sendo os mais comuns os transistores bipolares e os transistores de efeito de campo (FETs).

A capacidade dos transistores de amplificar sinais elétricos é especialmente importante. Pequenas variações de tensão ou corrente em sua entrada podem resultar em grandes mudanças na saída. Isso os torna essenciais em uma ampla gama de aplicações, desde rádios e televisores até computadores e dispositivos móveis.

Em resumo, os transistores são componentes eletrônicos cruciais que desempenham um papel fundamental na construção de circuitos eletrônicos, permitindo controle e amplificação de corrente elétrica de forma eficiente e precisa.

Tipos de transistores

Existem dois tipos principais de transistores: os transistores bipolares e os transistores de efeito de campo (FETs). Aqui está a descrição de cada um deles:

Transistores Bipolares

Os transistores bipolares são compostos por três camadas de material semicondutor dopado. Existem dois tipos principais de transistores bipolares: NPN e PNP.

NPN: Em um transistor NPN, duas camadas de material semicondutor tipo n (negativo) são separadas por uma camada de material semicondutor tipo p (positivo).

PNP: Em um transistor PNP, as camadas de semicondutor são dispostas de forma inversa: duas camadas tipo p são separadas por uma camada tipo n.

Transistores de Efeito de Campo (FETs)

Os FETs são compostos por uma fonte, um dreno e um portão separados por uma região semicondutora. Eles operam controlando o fluxo de corrente entre a fonte (S) e o dreno (D) através da aplicação de uma tensão ao portão (G).

Canal N: Em um FET de canal N, a região entre a fonte e o dreno é do tipo n, e o controle do fluxo de corrente é feito aplicando uma tensão positiva ao portão em relação à fonte.

Canal P: Em um FET de canal P, a região entre a fonte e o dreno é do tipo p, e o controle é feito aplicando uma tensão negativa ao portão em relação à fonte.

Esses são os tipos básicos de transistores, cada um com suas características específicas de operação e aplicações. Os transistores bipolares são comumente usados em amplificação de sinal, enquanto os FETs são frequentemente encontrados em circuitos de alta impedância e em aplicações de comutação.

Características elétricas dos transistores

As características elétricas dos transistores são propriedades que descrevem o comportamento elétrico do dispositivo em diferentes condições de operação.

Aqui estão algumas das características elétricas mais importantes dos transistores:

Ganho de Corrente (β ou hfe): O ganho de corrente é uma medida da capacidade do transistor de amplificar a corrente. Ele é definido como a razão entre a corrente de saída (coletor ou dreno) e a corrente de entrada (base ou porta) do transistor. No caso de transistores bipolares, o ganho de corrente é comumente representado por β (para corrente contínua) ou hfe (para corrente alternada). Em transistores de efeito de campo, o ganho de corrente é muitas vezes referido como ganho de transcondutância (gm).
Tensões de Limiar (Vth): A tensão de limiar é a tensão mínima necessária aplicada ao terminal de controle (base ou porta) para iniciar a condução de corrente entre os terminais de saída (coletor ou dreno). Para transistores bipolares, a tensão de limiar é a tensão base-emissor necessária para iniciar a operação do transistor. Em transistores de efeito de campo, a tensão de limiar é a tensão porta-fonte necessária para criar um canal condutivo entre o dreno e a fonte.

Resistências de Entrada e Saída (rin e rout): A resistência de entrada (rin) de um transistor é a resistência equivalente vista entre o terminal de entrada (base ou porta) e o terminal de saída (coletor ou dreno) quando os outros terminais estão mantidos em condições fixas. A resistência de saída (rout) de um transistor é a resistência equivalente vista entre o terminal de saída (coletor ou dreno) e o terminal de referência (emissor ou fonte) quando os outros terminais estão mantidos em condições fixas.
Corrente de Fuga: A corrente de fuga é a corrente que flui através de um transistor mesmo quando não há corrente aplicada ao terminal de controle. Ela pode ser causada por efeitos de temperatura, imperfeições no material semicondutor, entre outros fatores.
Capacitâncias: Os transistores têm capacitâncias parasitas associadas aos seus terminais. Isso inclui a capacitância de junção base-emissor (Cbe), a capacitância de junção base-coletor (Cbc) em transistores bipolares, e a capacitância porta-fonte (Cgs) em FETs, entre outras.

Compreender e caracterizar essas propriedades elétricas é fundamental para projetar e analisar circuitos eletrônicos que utilizam transistores.

Como funcionam os transistores?

Os transistores funcionam com base no controle do fluxo de corrente elétrica através de um material semicondutor. Os transistores bipolares e os transistores de efeito de campo (FETs) operam com princípios semelhantes:

Transistor Bipolar NPN

O transistor bipolar NPN opera em três modos principais: corte, ativo e saturação:

No modo ativo, uma corrente relativamente pequena (corrente de base) é aplicada ao terminal da base (B). Isso permite que elétrons fluam da região emissor (E) para a região coletor (C), amplificando a corrente.
No modo de corte, não há corrente significativa entre o coletor e o emissor. A junção base-emissor (BE) está reversamente polarizada, e a junção base-coletor (BC) também está reversamente polarizada.
No modo de saturação, uma corrente de base suficientemente grande faz com que o transistor conduza toda a corrente possível do coletor para o emissor.
Para operar corretamente, um transistor bipolar NPN precisa ser polarizado. Isso envolve aplicar uma tensão entre a base e o emissor para criar uma corrente de base que controla a corrente do coletor para o emissor.Normalmente, uma tensão positiva é aplicada à base em relação ao emissor para polarizar a junção base-emissor.

Transistor Bipolar PNP

Um transistor bipolar PNP é semelhante em funcionamento a um transistor bipolar NPN, mas com polaridades de corrente e tensão invertidas:

No modo ativo, uma corrente relativamente pequena (corrente de base) é aplicada ao terminal da base (B). Isso permite que lacunas (buracos) fluam da região emissor (E) para a região coletor (C), amplificando a corrente.
No modo de corte, não há corrente significativa entre o emissor e o coletor. A junção base-emissor (BE) está reversamente polarizada, e a junção base-coletor (BC) também está reversamente polarizada.
No modo de saturação, uma corrente de base suficientemente grande faz com que o transistor conduza toda a corrente possível do emissor para o coletor.
Para operar corretamente, um transistor bipolar PNP também precisa ser polarizado. No entanto, a polaridade da tensão aplicada é invertida em relação ao transistor NPN. Normalmente, uma tensão negativa é aplicada à base em relação ao emissor para polarizar a junção base-emissor.

Transistor FET Canal N

O FET de canal N opera em três modos principais: corte, triodo e saturação:

No modo de triodo, uma tensão positiva é aplicada ao portão em relação à fonte, criando um campo elétrico que atrai portadores de carga negativos (elétrons) do canal para o substrato, permitindo que uma corrente flua do dreno para a fonte.
No modo de corte, não há corrente entre o dreno e a fonte. Isso ocorre quando nenhuma tensão é aplicada ao portão, resultando em uma região de canal com alta resistência.
No modo de saturação, uma tensão suficientemente alta é aplicada ao portão, resultando em um campo elétrico forte que atrai todos os portadores de carga negativos do canal para o substrato, permitindo que uma corrente máxima flua do dreno para a fonte.
A polarização de um FET de canal N envolve a aplicação de uma tensão adequada entre o terminal do portão e o terminal da fonte.Normalmente, uma tensão positiva é aplicada ao portão em relação à fonte para atrair elétrons livres da região do canal para o substrato semicondutor, criando um caminho condutivo entre o dreno e a fonte.

Transistor FET Canal P

Assim como o de canal N, o FET de canal P opera em três modos principais: corte, triodo e saturação:

No modo de triodo, uma tensão negativa é aplicada ao portão em relação à fonte, criando um campo elétrico que atrai lacunas (cargas positivas) do canal para a fonte, permitindo que uma corrente flua da fonte para o dreno.
No modo de corte, não há corrente entre o dreno e a fonte. Isso ocorre quando nenhuma tensão é aplicada ao portão, resultando em uma região de canal com alta resistência.
No modo de saturação, uma tensão suficientemente baixa é aplicada ao portão, resultando em um campo elétrico forte que atrai todas as lacunas do canal para a fonte, permitindo que uma corrente máxima flua da fonte para o dreno.
A polarização de um FET de canal P envolve a aplicação de uma tensão adequada entre o terminal do portão e o terminal da fonte.Normalmente, uma tensão negativa é aplicada ao portão em relação à fonte para atrair lacunas da região do canal para a fonte semicondutora, criando um caminho condutivo entre o dreno e a fonte.

Utilizações comuns dos transistores

Os transistores são amplamente utilizados em uma variedade de aplicações em eletrônica devido à sua capacidade de amplificar sinais, controlar corrente e comutar circuitos.

Aqui estão algumas das utilizações mais comuns dos transistores:

Amplificação de Sinais: Transistores são frequentemente usados em circuitos amplificadores para aumentar a amplitude de sinais elétricos, como sinais de áudio, vídeo e dados. Essencial em amplificadores de áudio, amplificadores de RF, amplificadores operacionais e muitos outros circuitos de amplificação.
Comutação Eletrônica: Os transistores podem ser usados como chaves eletrônicas para controlar o fluxo de corrente em um circuito. São amplamente utilizados em circuitos de comutação, como relés de estado sólido, interruptores transistorizados e circuitos de lógica digital.
Regulação de Tensão: Os transistores podem ser usados em circuitos reguladores de tensão para manter uma tensão de saída constante independentemente das variações na tensão de entrada ou na carga. São utilizados em fontes de alimentação reguladas, carregadores de bateria, reguladores de tensão de linha, entre outros.
Oscilação de Frequência: Os transistores são empregados em circuitos osciladores para gerar sinais de frequência específica, como ondas senoidais, quadradas ou triangulares. São usados em osciladores de áudio, osciladores de RF, geradores de sinal e circuitos de temporização.
Controle de Motores: Os transistores são usados para controlar a velocidade e direção de motores elétricos em uma variedade de aplicações, desde ventiladores e bombas até motores de automóveis e robótica. Circuitos de controle de motor PWM (Modulação por Largura de Pulso) são comuns em sistemas de controle de motores.
Sensores e Detecção: Transistores podem ser usados em circuitos de detecção e sensoriamento para converter mudanças em grandezas físicas, como luz, temperatura ou pressão, em sinais elétricos. São usados em fotodetectores, sensores de temperatura, sensores de pressão e muitas outras aplicações de sensoriamento.