O transistor

Vamos voltar um pouco no tempo, para 1947. Estamos nos Estados Unidos, no Bell Laboratories, em Nova Jersey. Foi lá que um grupo de cientistas fez uma descoberta que abriu os mares para a computação digital. Estamos falando da criação do primeiro transistor.

No início da nossa jornada pela computação, falamos sobre os tubos de vácuo e sua importância para o primeiro computador digital da história, o ENIAC. Quando mencionei os tubos de vácuo, destaquei suas duas principais características que os tornaram essenciais para a criação de computadores digitais: a capacidade de amplificar sinais eletrônicos e de serem usados para representar funções lógicas como chave. Pois bem, o transistor tem exatamente essas mesmas características.

Então, por que o transistor foi um divisor de águas? Simples: os tubos de vácuo eram grandes, caros e tinham problemas de durabilidade. O transistor surgiu como uma alternativa mais barata, mais confiável, podendo ser miniaturizado e oferecendo uma transição de estados muito mais rápida que os tubos de vácuo. Embora sirva para a mesma função, o transistor é tão superior em todos os aspectos que abriu o caminho para um novo mundo da computação digital.

A próxima pergunta interessante a ser feita é como funciona o transistor.

1. Semicondutores e o diodo

Por trás do funcionamento do transistor está um tipo de material com uma característica muito peculiar. Se você era um bom aluno, pode se lembrar de ter visto no ensino médio uma divisão entre materiais que são condutores elétricos e aqueles que são isolantes. Pois bem, os semicondutores são materiais que não são nem um, nem outro.

Os semicondutores, como o silício, possuem uma capacidade interessante: eles podem conduzir eletricidade, mas não tão bem quanto os condutores, e podem agir como isolantes, mas não de forma tão eficiente quanto os isolantes tradicionais. A “magia” dos semicondutores ocorre porque sua condutividade elétrica pode ser ajustada adicionando impurezas em um processo chamado “dopagem”. Por exemplo, o silício puro é um semicondutor que, quando dopado com pequenas quantidades de fósforo, aumenta sua capacidade de conduzir eletricidade. Esse controle sobre a condutividade é essencial para o funcionamento dos transistores, permitindo que eles atuem como chaves ou amplificadores em circuitos eletrônicos.

O processo de dopagem do silício. Em a), temos o silício “puro”. Nessa configuração, ele age como um isolante. Em b), temos silício com dopagem com átomos fósforo, criando um semicondutor tipo n. Por fim, em c) temos uma dopagem com átomos de Boro, criando um semicondutor tipo p.

Até hoje eu não vi um recurso tão bom para explicar como funcionam os materiais semicondutores especificamente para a criação de diodos do que o vídeo do Veritasium em que ele conta a história e a importância do LED azul.

1.1. Tipo n, tipo p. Tipo, quê?

A imagem acima ilustra dois tipos de semicondutores: tipo n e tipo p. A diferença entre eles é simples: os semicondutores tipo n são dopados com átomos que fazem com que haja um excesso de elétrons na ligação. Esses elétrons ficam em um estado que permite que eles mudem de camada de valência e se movam pela estrutura do semicondutor quando expostos a uma diferença de potencial. Em outras palavras, eles se comportam como condutores. Já os semicondutores tipo p são dopados com átomos que criam uma deficiência de elétrons, ou seja, “buracos” positivos. Esses buracos também permitem a condução elétrica sob uma diferença de potencial, tornando-os condutores também.

Então, qual é a diferença? A diferença está na polaridade dos portadores de carga. Essa distinção pode parecer irrelevante até que combinamos um semicondutor tipo n com um tipo p, momento em que a mágica acontece.

A junção pn ocorre quando um semicondutor do tipo n e um do tipo p são colocados em contato um com o outro. Quando isso acontece, temos uma situação em que a polaridade no geral tende à neutralidade e gera-se uma zona de depleção.

Quando os “buracos” (cargas positivas) encontram os elétrons livres (cargas negativas) na junção pn, ocorre uma neutralização das cargas, criando uma zona de depleção onde os elétrons do tipo n preenchem os “buracos” do tipo p. Esse processo resulta em um material que pode se comportar tanto como condutor quanto como isolante, dependendo da polaridade da tensão aplicada.

Se uma tensão positiva for aplicada ao lado do tipo p, temos uma polarização direta. Nesse cenário, a diferença de potencial reduz a zona de depleção. Quando essa zona desaparece, a junção pn permite a passagem de corrente elétrica, funcionando como um condutor.

Polarização direta de uma junção PN. A região de depleção diminui até deixar de existir.

Por outro lado, se a tensão positiva for aplicada ao lado do tipo n, a zona de depleção aumenta. Nesse caso, o material continua a se comportar como um isolante. Senhoras e senhores, chegamos ao diodo, um componente que permite a passagem de corrente apenas em um sentido.

Polarização reversa de junção pn. A região de depleção aumenta.

O diodo é um componente que permite a passagem de corrente elétrica apenas do ânodo em direção ao cátodo.

2. O transistor

Para partir do diodo para o transistor, precisamos adicionar um mecanismo que permita controlar quando o componente vai conduzir. Essa adição faz com que seja possível o componente funcionar tanto como uma chave como um amplificador de tensão/corrente.

2.1. Transistor de junção bipolar

O transistor de junção bipolar npn tem três zonas de material semicondutor, sendo uma tipo p sanduichada entre duas regiões tipo n.

A resposta? Adicionar três zonas polarizadas, o que faz com que existam duas zonas de depleção. Aqui, vale a pena também falar sobre a nomenclatura das três entradas de um transistor bjt:

A base (B) é onde entra o sinal utilizado como chave para fazer com que o transistor conduza;
O coletor (C) é onde tipicamente conecta-se uma fonte de tensão de alta potência. Quando o transistor está em condução, a corrente elétrica corre do coletor para;
O emissor (E), que tipicamente é conectado ao restante do circuito (assumindo o uso de um transistor como amplificador).

Para entender como o transistor BJT npn funciona é conveniente representar as duas junções como diodos, como na figura abaixo.

Transistor npn BJT com suas regiões bipolares como diodos.

Se aplicarmos uma tensão positiva na direção CE, nada acontece, pois as regiões BE e BC continuam em polarização reversa (de agora em diante chamaremos de corte). Agora, se houver uma tensão positiva na direção de BE, o transistor começa a conduzir pois a região de depleção BE diminui e os elétrons do emissor começam a ir em direção à base, que é positiva.

Ok, mas isso ainda não explicou muita coisa. A próxima informação é fundamental: as regiões do BJT não são dopadas da mesma forma. A base tem uma dopagem muito leve e fina, já o emissor tem uma dopagem pesada e o coletor tem uma dopagem intermediária. Por que isso é fundamental? Pois os elétrons que saem do emissor quando BE está conduzindo acabam sendo capturados pelo coletor, que tem uma dopagem muito mais forte que a base. Isso faz com que alguns poucos elétrons passem pela base, mas a esmagadora maioria se move de acordo com a tensão aplicada em CE e vai em direção ao pólo positivo, no coletor. A imagem abaixo mostra esse fluxo de elétrons.

Fluxo de elétrons em um transistor npn em região de condução. Note que esse diagrama não mostra o fluxo de corrente elétrica, mas sim o fluxo de elétrons.

O efeito disso é que a base fica praticamente isolada do circuito de potência, que tem fluxo de corrente de C para E. Essa característica garante que o transistor consegue funcionar como um amplificador e também como uma chave eletronicamente controlada.

No modo amplificador, a relação entre a corrente que entra na base ( $I_{B}$ ) e a corrente que flui pelo coletor ( $I_{C}$ ) é definida pelo ganho do transistor ( $β$ ou $h_{FE}$ ):

$I_{C} = β \cdot I_{B}$

Isso significa que uma corrente minúscula na base pode controlar uma corrente muito maior no coletor!

Estado	Chave	Corrente de Base ( $I_{B}$ )	Corrente de Coletor ( $I_{C}$ )	Tensão Coletor-Emissor ( $V_{CE}$ )
Corte	Aberta (OFF)	Zero ou negativa	Zero	Máxima (igual a $V_{CC}$ )
Saturação	Fechada (ON)	Alta o suficiente	Máxima (limitada pela carga)	Mínima ( $\approx 0, 2 V$ )

O último detalhe do transistor BJT que vou deixar aqui é a maneira como ele de fato se parece.

Vista de seção de um transistor BJT npn.

O vídeo abaixo serve como um material extra para entender o funcionamento dos transistores BJT.

2.2. O MOSFET

Por mais que o transistor BJT faça tudo melhor e menor que o tubo de vácuo, não é ele que existe no dispositivo que você está usando para ler esse texto agora. Essa honra fica para um outro tipo de transistor, o Transistor de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor, ou MOSFET.

Baita nome, né? É… Você não entendeu quase nenhuma dessas palavras, né? Relaxa, você não está sozinho. Vamos juntos que eu te explico o que está por trás desse nome assustador.

Vamos começar pela parte fácil? O símbolo e os terminais do MOSFET são um pouquinho diferentes do transistor BJT, vamos ver:

Um MOSFET tipo n.

Enquanto o BJT tinha Base, Coletor e Emissor, o MOSFET tem Gate, Drain e Source. Há uma equivalência funcional entre essas portas:

Base - Gate
Coletor - Source
Emissor - Drain

O transistor representado acima é um MOSFET tipo n. Assim como o BJT tem configurações pnp e npn, o MOSFET tem configurações tipo n e tipo p. Sim, eu vou te perguntar sobre isso mais tarde.

Do ponto de vista de dopagem, o MOSFET é como se aplicássemos seletivamente zonas de dopagem distintas em uma mesma “pastilha” (em inglês, wafer) de silício.

O MOSFET por dentro. Há uma região principal, da qual o wafer é feito. As regiões do source e do drain são feitas com uma dopagem diferente da região principal. Por fim, o terminal do gate é separado do semicondutor por um óxido isolante.

Se aplicarmos uma tensão no sentido de DS (Drain - Source), assim como no caso da tensão CE no BJT, as zonas de depleção só vão aumentar e o transistor não conduz. No transistor BJT, resolvemos isso aplicando uma tensão positiva na Base. O problema é que o Gate do MOSFET está separado do semicondutor por uma camada de óxido que é isolante. Qual é a ideia por trás disso? É aqui, meu jovem padawan, que entra o efeito de campo.

Efeito de campo - ou - como funciona um capacitor

Um capacitor é um dos componentes eletrônicos mais simples que existem. A ideia por trás dele é separar dois condutores utilizando um material isolante. Um capacitor eletrolítico tipicamente vai ter a configuração vista abaixo:

Um capacitor eletrolítico tipicamente é um enrolamento de chapas metálicas separadas por um material isolante. As chapas recebem cargas opostas durante o funcionamento do circuito.

Quando colocamos o capacitor em um circuito real, com uma fonte de alimentação, o que podemos ver é que as chapas condutoras acumulam cargas opostas e o material isolante acumula um campo elétrico estimulado por essas cargas opostas. No funcionamento típico de um capacitor, essa energia acumulada é descarregada assim que desligamos a fonte de alimentação. É por isso que o capacitor pode servir como um acumulador, que atrasa a resposta dinâmica do sistema. A imagem abaixo representa esse comportamento.

Um capacitor quando alimentado por uma fonte de tensão.

A parte interessante para nós acontece justamente no acúmulo de carga. Note que a imagem acima mostra elétrons livres e buracos. Onde mais você viu isso? Exatamente, na junção pn.

Beleza, mas e daí? O que isso tem a ver com o MOSFET? Eu vou deixar só mais uma imagem abaixo de um tipo específico de capacitor que existe e fica como um exercício extraoficial você tentar entender qual a relação com o MOSFET.

O capacitor MOS (metal-óxido-semicondutor) é uma configuração possível de um capacitor. Substitui-se uma das placas de metal por material semicondutor.

Cria-se um canal

Vamos considerar o caso do MOSFET tipo n e novamente aplicar uma tensão no sentido DS, só que agora também uma tensão positiva em G. O que ocorre de fato é que o efeito de campo do capacitor MOS formado entre o Gate e o substrato tipo p faz com que os buracos do substrato sejam repelidos e crie-se uma nova zona de depleção e, dentro dela, um canal que efetivamente conecta as regiões de source e drain, permitindo a movimentação dos elétrons. Assim, o MOSFET conduz.

Um MOSFET tipo n, quando recebe tensão positiva em seu gate, gera um canal por onde é possível passar corrente entre o drain e o source

Como sei que essa explicação acima pode ser um tanto difícil de acompanhar em formato textual, segue um vídeo que aborda os mesmos conceitos:

Beleza, mas por que usar um componente com um comportamento tão mais complexo que o bom e velho transistor BJT? Há algumas vantagens do MOSFET sobre o BJT, as duas principais são:

A impedância entre a entrada e o circuito de potência do MOSFET é muito alta. Isso significa um isolamento maior entre o circuito de lógica e o circuito de potência quando usamos o MOSFET como um amplificador (praticamente todas as pontes H modernas usam MOSFETs).
Se você prestou bastante atenção na explicação acima, pode ter percebido que o MOSFET tem um método de fabricação que parte de uma “chapa” de silício puro e, só fazendo adições a esse material (ou, deposições), conseguimos criar transistores do tipo MOSFET. Transistores, no plural. É possível fabricar bilhões de MOSFETs de uma vez só e eles podem ser feitos em um tamanho absurdamente pequeno.

3. Portas lógicas com transistores

Antes de vermos as portas lógicas, precisamos falar sobre a tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Como o nome sugere, ela é “complementar” porque utiliza pares de transistores NMOS (que ligam com nível lógico alto) e PMOS (que ligam com nível lógico baixo) trabalhando juntos.

Quando um transistor do par está ligado, o outro está desligado. Isso faz com que os circuitos CMOS consumam energia quase exclusivamente no momento em que mudam de estado, o que os torna extremamente eficientes — e é por isso que são a base de praticamente todos os processadores modernos.

O que falta para completar nosso entendimento sobre como o transistor constrói computadores? Falta bastante coisa ainda, mas o último passo dessa seção é a utilização do transistor como o componente fundamental por trás de operações básicas lógicas e aritméticas. No exercício 1.02 você utilizou tubos de vácuo para representar as portas lógicas OR, AND e NOT. Para o transistor, o funcionamento é precisamente o mesmo. Ou seja, essa seção aqui é inteira para você treinar.