Introdução aos semicondutores

Fundamentalmente, um dispositivo semicondutor é uma "válvula" que controla o fluxo de portadores de corrente (cargas elétricas em movimento) através do material do cristal de que é constituída. A habilidade de um transístor de controlar os portadores de corrente torna-o essencialmente o elemento singular mais útil nos equipamentos eletrônicos. Os transístores são utilizados em equipamentos de rádio, som, radar,  telefone, impressoras, computadores, etc.

História dos semicondutores e transístores

a) Cristal retificador (Figura 1). O primeiro uso do cristal semicondutor como retificador (detector) deu-se nos primeiros dias do rádio. Um pedaço de cristal era usado num receptáculo metálico e um fio flexível (bigode-de-gato) estabelecia contato leve com o cristal. Ajustava-se o receptor operando-se o braço de ajuste até que o bigode-de-gato estivesse em um ponto do cristal que produzisse som no fone. A sintonia do capacitor variável permitia a obtenção de intensidade máxima do sinal no fone; era necessário ajustar frequentemente o ponto de contato.

Figura 1 — Radiorreceptor com cristal retificador.

b) Díodo de contato de ponto (Figura 2). Os díodos de contato de ponto (retificadores de germânio) foram utilizados durante a Segunda Guerra Mundial para substituir válvulas eletrônicas em equipamentos de radar e outros de alta frequência. O díodo de contato de ponto tem uma capacitância em derivação muito baixa e não exige energia de aquecimento; essas propriedades constituem vantagem bem positiva sobre o díodo do tipo de válvula eletrônica. O díodo de contato de ponto é idêntico ao cristal retificador quanto ao fato de incluir um semicondutor, uma base metálica e um ponto de contato metálico. As conexões para o díodo de contato de ponto são um condutor externo soldado ao ponto de contato metálico e um condutor externo soldado à base metálica.

Figura 2 — Construção física do díodo de contato de ponto.

c) Transístor de contato de ponto (Figura 3). O transístor de contato de ponto foi desenvolvido em 1948. A construção física do transístor de contato de ponto é semelhante à do díodo de contato de ponto, exceto que um terceiro condutor, com contato de ponto metálico, é colocado próximo do primeiro contato de ponto metálico no semicondutor. Um dos condutores denomina-se emissor; o outro, condutor coletor. Quando se aplicam tensões adequadas aos dois pontos metálicos (polarização adequada em relação à base metálica), o transístor de contato de ponto pode produzir ganho de potência.

Figura 3 — Construção física do transístor de contato de ponto.

d) Díodo de junção (Figura 4). O díodo de junção, desenvolvido em 1949, é constituído pela junção de duas seções diferentes de material semicondutor. Uma das seções, devido às suas características, é denominada semicondutor tipo-P; a outra, semicondutor tipo-N. As conexões para o díodo de junção são constituídas por um condutor até o material semicondutor tipo-P e outro condutor para o tipo-N. O díodo de junção pode trabalhar com potência maior que o díodo de contato de ponto, mas possuí também maior capacitância em derivação.

Figura 4 — Construção física do díodo de junção.

e) Transístor de junção (Figura 5). O transístor de junção foi desenvolvido mais ou menos na mesma época que o díodo de junção, em 1949. O transístor de junção é constituído por duas junções PN. A operação do transístor de junção é semelhante à do transístor de contato de ponto. O transístor de junção, contudo, permite que se façam previsões mais rigorosas do desempenho do circuito, tem menor relação sinal-ruído e pode trabalhar com potência maior que o transístor de contato de ponto.

Figura 5 — Construção física de transístores de junção PNP e NPN.

Funções do Transístor

a) Amplificação. O transístor pode ser utilizado como amplificador de corrente, tensão ou potência. Por exemplo, pode-se obter de um transístor uma corrente de sinal mais intensa (Figura 6A) do que a aplicada. Um sinal de 1 miliampère, alimentado no circuito de entrada do transmissor, pode ser amplificado para 20 miliampères na sua saída. O valor da amplificação depende do projeto do circuito.

Figura 6 — Transístor ligado como amplificador ou oscilador.

b) Oscilação. O transístor pode ser usado em um circuito oscilatório, porque pode converter energia de corrente contínua em energia de corrente alternada. Quando ligado em um circuito oscilatório, o transístor retira energia de uma fonte CC e gera uma tensão CA (Figura 6B).

Figura 7 — Transístor utilizado como demodulador (AM) ou demodulador (AM).

c) Modulação. O transístor pode ser utilizado em circuitos que fornecem modulação de amplitude (variação de amplitude de um sinal de RF) (Figura 7A) ou modulação de frequência (variação de frequência de um sinal de RF) (Figura 8A). Inversamente, também pode ser efetuada com transístores a demodulação ou detecção de sinais modulados em amplitude (Figura 7B) e sinais modulados em frequência (Figura 8B). Esses circuitos são muito adequados para transmissores miniaturizados, destinados a aplicações em distâncias curtas.

Figura 8 — Transístor utilizado como modulador (FM) ou demodulador (FM).

d) Outras aplicações. O transístor pode ser também utilizado para alterar a forma de onda de sinais. A alteração de forma de onda é importante em vários tipos de circuitos de radar, computadores e televisão. A Figura 9A mostra como o transístor pode ser utilizado em um circuito, a fim de mudar uma onda senoidal para onda quadrada. A Figura 9B mostra como se pode utilizar o transístor num circuito, a fim de cortar as alternâncias negativas de uma série de impulsos negativos e positivos.

Figura 9 — Transístor utilizado para alterar a forma de onda.

Uso em equipamentos militares e comerciais

a) Equipamento portátil. O uso dos transístores abriu um campo inteiramente novo no desenvolvimento de equipamento portátil. O pequeno tamanho e a robustez do equipamento transistorizado permite sua aplicação em grande variedade de aparelhos portáteis. Os transístores agora estão sendo utilizados em equipamento móvel, equipamento de teste, gravadores de fita, equipamento meteorológico e equipamento fotográfico. Vários equipamentos portáteis em uso comercial, tais como gravadores de fita, rádios, televisores, aparelhos para surdos, rádios de automóveis e rádios de embarcações empregam agora transístores.

b) Equipamentos fixos. Os equipamentos fixos que usam semicondutores ocupam menor espaço e consomem menor potência. Equipamentos militares ou comerciais, como equipamentos com fio (telefone ou teleimpressor), fac-símile, radar, computadores, equipamentos de amplificação pública, sistemas de intercomunicação, receptores de televisão e rádio, bem como transmissores utilizam atualmente circuitos transistorizados (com semicondutores).

Comparação com válvulas eletrônicas

a) Rendimento e exigências de tensões. O rendimento de potência do transístor é melhor do que o da válvula eletrônica, porque o transístor não necessita energia de alimentação (filamento). Além disso, não exige tempo de aquecimento e não necessita também uma tensão CC elevada para funcionar. Outras vantagens do transístor são sua vida útil, seu nível de ruído, e seu tamanho e construção.

b) Vida útil. As probabilidades de vida constituem consideração muito importante na aplicação de qualquer dispositivo eletrônico. Um transístor fechado hermeticamente em recipiente de vidro ou metal suporta uma variedade de situações que a válvula eletrônica não pode suportar. Por exemplo, o transístor, mesmo mergulhado em água, poderá operar durante muito tempo de sua vida com efeito muito pouco notado na frequência de funcionamento. Também pode suportar a força gravitacional centrífuga e testes de impacto que estraçalhariam completamente a válvula eletrônica. Embora os transístores sejam dispositivos desenvolvidos recentemente, pode-se estimar que são capazes de operar continuamente durante cerca de 8 anos.

c) Nível de ruído. O ruído, no caso considerado, é uma perturbação audível ou observável provocada pelo movimento errático de elétrons dentro do transístor e seus componentes associados. O nível de ruído do transístor em frequências  baixas (cerca de 1.000 Hertz) é muito melhor que o nível de ruído da válvula eletrônica. Quando o transístor é utilizado em frequências mais elevadas, seu nível de ruído se torna consideravelmente mais baixo.

d) Tamanho e construção. As válvulas eletrônicas são construídas de modo a permitir eficiente dissipação de calor. São muito maiores do que os transístores. Embora estes devam também dissipar o calor, são muito menores. A construção da tampa do transístor no tipo flange propicia a dissipação de calor. Em alguns casos, deve-se usar também no transístor um dissipaddor de calor metálico especial.

Material dos transístores

Materiais tais como o cobre, prata, ouro e ferro, que fornecem um bom percurso para o fluxo de elétrons com pouca oposição (resistência), classificam-se como condutores. Por outro lado, materiais como a borracha, porcelana e vidro, que oferecem grande oposição e não propiciam caminho de passagem para o fluxo de elétrons, são isoladores. Entre essas duas classificações situam-se materiais tais como o carbono na forma de diamante, germânio e silício — os semicondutores. Os semicondutores propiciam percurso para esses elétrons, mas oferecem-lhes oposição moderada. Os transístores são geralmente feitos de material semicondutor, tal como de germânio ou silício.

Peças miniaturizadas podem ser utilizadas com transístores

Um dos problemas existentes em equipamentos que utilizavam válvulas eletrônicas é o tamanho. Comparadas com os transístores, as válvulas eletrônicas são relativamente grandes. Exigem correntes e tensões elevadas para funcionar, e as peças e circuitos usados com elas também necessitam ser grandes. Em contraste, as correntes e tensões utilizadas para operar transístores são muito baixas. As peças utilizadas em circuitos de transístores podem ser muito pequenas. Podem-se utilizar capacitores, resistores, bobinas e transformadores miniaturizados. Além disso, utilizam-se também painéis de circuito impresso, a fim de eliminar (tanto quanto possível) os fios de conexão e tornar o equipamento mais compacto.

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