O transistor é um componente eletrônico usado na maioria dos circuitos eletrônicos ( circuitos lógicos , amplificador , tensão de estabilização , modulação do sinal , etc. ), bem como baixa em alta tensão .
Um transistor é um dispositivo semicondutor com três eletrodos ativos, que permite controlar uma corrente ou uma tensão no eletrodo de saída ( o coletor do transistor bipolar e o dreno de um transistor de efeito de campo ) graças a uma entrada de eletrodo ( a base em um transistor bipolar e a porta para um transistor de efeito de campo).
O circuito sendo conectado aos terminais "coletor" e "emissor", o transistor é isolante sem tensão no terminal da Base e condutivo com uma tensão no terminal da Base.
Em outras palavras, é uma chave controlada eletronicamente, sem nenhuma parte mecânica.
É um componente fundamental de dispositivos eletrônicos e circuitos lógicos .
O termo transistor vem do Inglês trans fer res istor (resistência de transferência). Ele foi selecionado por um comitê diretor de 26 pessoas da Bell Labs em28 de maio de 1948, A partir dos seguintes nomes propostos: triodo semicondutor , estados de superfície triodo , triodo cristal , triodo sólido , iotatron , transistor . Por razões comerciais, um nome curto era necessário, sem ambigüidade com a tecnologia de tubo de elétrons, e a palavra Transistor foi mantida.
Por metonímia , o termo transistor freqüentemente designa receptores de rádio equipados com transistores (originalmente chamados de estação de transistor ).
Como resultado do trabalho com semicondutores , o transistor foi inventado o23 de dezembro de 1947pelos americanos John Bardeen , William Shockley e Walter Brattain , pesquisadores da Bell Laboratories . Esses pesquisadores receberam o Prêmio Nobel de Física por esta invenção em 1956 .
Herbert Mataré e Heinrich Welker, dois físicos alemães, também desenvolveram de forma independente e independente o “transistor francês” em junho de 1948, enquanto trabalhavam na Compagnie des Freins et Signaux em Paris. Eles registram seu primeiro pedido de patente para um transistor o13 de agosto de 1948. Os estudos realizados pelos comissários mostram que eles não confiaram no anúncio do transistor do laboratório americano, mas tiveram a ideia na mesma época. O18 de maio de 1949, esta invenção europeia é apresentada pela imprensa ao público com a designação de "Transistron". O objetivo é então conquistar primeiro o mercado mundial. Na época, a imprensa técnica deu vantagem ao transistron considerado mais resistente e estável. No entanto, como o governo francês está focado na tecnologia nuclear, o transitron é posto de lado e perde sua vantagem sobre o transistor. Em 1952, Herbert Mataré criou a empresa Intermetall que foi a primeira a produzir transistores e que atingiu o seu pico um ano depois com a apresentação do primeiro rádio transistorizado um ano antes do da Texas Instrument. Em 1954, a Texas Instrument aperfeiçoou seu protótipo de rádio transistorizado, que foi industrializado pela empresa IDEA (Industrial Development Engineering Associates).
Antes disso, Herbert Mataré já havia abordado o efeito transistor enquanto trabalhava para o exército alemão durante a Segunda Guerra Mundial com o objetivo de melhorar os radares. A urgência da guerra o impediu de aprofundar o assunto e chamou esse fenômeno de “ interferência ”. Quando a Rússia recapturou a aldeia onde trabalhava na Polônia, Herbert Mataré teve que queimar todas essas notas por medo de que caíssem nas mãos do inimigo.
O transistor é considerado um grande avanço sobre o tubo de elétrons : muito menor, mais leve e mais robusto, operando em baixas tensões, permitindo energia da bateria, funciona quase que instantaneamente quando ligado, ao contrário dos tubos de elétrons que exigiam cerca de dez segundos de aquecimento, geravam bastante consumo e uma fonte de alta tensão necessária (várias centenas de volts ).
Uma vez que o transistor foi descoberto, a abertura para o público em geral não foi imediata. A primeira aplicação do transistor foi para o rádio em 1954, 7 anos após a descoberta do transistor. Mas a partir de então sua influência na sociedade aumentou exponencialmente, especialmente entre cientistas e industriais. Na verdade, a partir de meados da década de 1950, começamos a usar o transistor em computadores , tornando-os bastante confiáveis e relativamente pequenos para sua comercialização. A partir de 1957, a IBM construiu todos os novos computadores com transistores em vez de válvulas.
Após a invenção do circuito integrado em 1958, agrupando em um pequeno volume vários transistores e componentes, em 1969 foi inventado o microprocessador , permitindo que milhares de transistores funcionassem em harmonia sobre um suporte, o que mais uma vez é uma revolução para a computação moderna. O Intel 4004 , lançado em março de 1971 e encomendado pela Busicom , incorpora 2.250 transistores e executa 60.000 operações por segundo.
Hoje em dia, o transistor é onipresente na maioria dos aparelhos do nosso dia a dia. O número de transistores em um microprocessador aumentou consideravelmente à medida que seu tamanho diminuiu, seguindo a Lei de Moore , com por exemplo 18 bilhões de transistores para 398 mm 2 em 2018. Isso contribuiu para o desenvolvimento de uma ampla variedade de campos. Está presente em tudo que contém até mesmo um pouco de eletrônicos, das nossas cafeteiras aos nossos carros e semáforos. Assim que houver uma escolha mais complexa do que abrir / fechar em um dispositivo eletrônico, um transistor é ativado.
Um transistor bipolar é um dispositivo eletrônico baseado em semicondutor cujo princípio de operação é baseado em duas junções PN , uma direta e outra reversa.
Ao contrário do transistor bipolar, o portão atua por "efeito de campo" (daí seu nome) e não pela passagem de uma corrente elétrica.
Entre os transistores de efeito de campo (ou FETs, para Transistor de efeito de campo ), as seguintes famílias podem ser distinguidas:
O chamado transistor de unijunção quase não é mais usado, mas foi usado para criar osciladores de relaxamento .
O IGBT é um híbrido bipolar e MOSFET, usado principalmente em eletrônica de potência .
Os dois tipos principais de transistores permitem atender às necessidades da eletrônica analógica e digital , bem como da eletrônica de potência e de alta tensão .
Uma mistura das duas tecnologias é usada em IGBTs .
Os substratos usados são germânio (série AC, agora obsoleta), silício , arseneto de gálio , silício-germânio e, mais recentemente , carboneto de silício , nitreto de gálio , antimoneto de índio. O10 de maio de 1954, Texas Instruments lança o primeiro transistor de silício do mundo.
Para a grande maioria das aplicações, o silício é usado, enquanto os materiais mais exóticos, como arseneto de gálio e nitreto de gálio, são mais usados para fazer micro-ondas e transistores de micro-ondas.
As três conexões são chamadas de:
transistores bipolares |
símbolo | efeito de campo de transistores |
símbolo |
---|---|---|---|
o colecionador | VS | o ralo | D |
a base | B | a grade | G |
o transmissor | E | a fonte | S |
Em ambos os tipos de transistores bipolares, o eletrodo pelo qual toda a corrente passa é chamado de emissor. A corrente no emissor é igual à soma das correntes do coletor e da base.
A seta identifica o emissor e segue a direção da corrente; aponta para fora, no caso de um NPN, e para dentro, no caso de um PNP. O eletrodo conectado ao meio da barra central é a base e o terceiro eletrodo é o coletor.
No caso do efeito de campo , a seta desaparece, pois o dispositivo é simétrico (dreno e fonte são trocáveis). As linhas inclinadas geralmente são substituídas por linhas retas.
Para o transistor MOS , a porta é destacada dos demais eletrodos, para indicar o isolamento devido à presença do óxido.
Na realidade, há uma quarta conexão para transistores de efeito de campo, o substrato (às vezes chamado de bulk ), que normalmente é conectado à fonte (esta é a conexão entre S e as duas linhas verticais no diagrama).
Os primeiros transistores usavam germânio como semicondutor . Esse material, reaproveitado em certas aplicações, foi rapidamente substituído pelo silicone, mais resistente, mais flexível de usar e menos sensível à temperatura. Existem também transistores de arsenieto de gálio usados em particular no campo de microondas .
Os transistores de efeito de campo são usados principalmente na amplificação de grande ganho de sinais de baixa amplitude e voltagem muito baixa . Eles são muito sensíveis a descargas eletrostáticas .
Os desenvolvimentos tecnológicos proporcionaram transistores ou interruptores MOS de potência, que são cada vez mais usados em todas as aplicações de chaveamento de alta potência (classe D) e baixa tensão , uma vez que quase não têm resistência de dreno . Ao contrário dos transistores, eles não aquecem e, portanto, não precisam de resfriamento (radiadores).
O grafeno , novo material promissor de alto desempenho, pode substituir o silício nos transistores de próxima geração.
MOS e transistores bipolares funcionam de maneiras muito diferentes:
O transistor bipolar amplificador de corrente, uma corrente é injetada no espaço base / emissor para criar uma corrente multiplicada pelo ganho do transistor entre o emissor e o coletor. Os transistores bipolares NPN (negativo-positivo-negativo) que deixam a corrente de base circulante (+) para o transmissor (-), são mais rápidos e têm maior tensão suportável do que os transistores PNP base (-) transmissor (+), mas podem ser produzidos com características adicionais pelos fabricantes para aplicações que as requeiram. O transistor de efeito de campo Seu órgão de controle é o portão . Isso só precisa de uma tensão (ou potencial) entre a porta e a fonte para controlar a corrente entre a fonte e o dreno. A corrente da porta é zero (ou desprezível) no modo estático, uma vez que a porta se comporta vis-à-vis o circuito de controle como um capacitor de baixa capacidade. Existem vários tipos de transistores de efeito de campo: transistores de depleção , enriquecimento (de longe os mais numerosos) e de junção (JFET). Em cada família, é possível usar um canal do tipo N ou um canal do tipo P, o que, portanto, perfaz um total de seis tipos diferentes.Cada um desses transistores é caracterizado por uma tensão limite, correspondente à tensão da porta que faz a transição entre o comportamento bloqueado do transistor e seu comportamento condutivo. Ao contrário dos transistores bipolares, cuja tensão de limiar depende apenas do semicondutor usado (silício, germânio ou As-Ga), a tensão de limiar dos transistores de efeito de campo depende intimamente da tecnologia e pode variar significativamente até mesmo ao longo do tempo, dentro do mesmo lote. O transistor de efeito de campo de depleção do canal N é o semicondutor cujas características mais se assemelham aos antigos tubos de vácuo (tríodos). Na mesma potência, os transistores N são menores do que P. Na geometria igual, os transistores N também são mais rápidos do que P. Na verdade, a maioria das portadoras em um canal N são elétrons , que se movem melhor do que buracos , predominantemente em um canal P. A condutividade de um canal N é, portanto, maior do que um canal P da mesma dimensão.
A maioria das digitais circuitos integrados (em especial os microprocessadores ) uso CMOS tecnologia que torna possível integrar em grande escala (vários milhões) de efeito de campo complementar (enriquecimento) transistores (ou seja, que se encontra N de e P 's). Para a mesma função, a integração de transistores bipolares consumiria muito mais corrente. Na verdade, um circuito CMOS consome corrente apenas durante as trocas. O consumo de uma porta CMOS é apenas a carga elétrica necessária para carregar sua capacidade de saída. Sua dissipação é, portanto, quase zero se a freqüência do clock for moderada; isso permite o desenvolvimento de circuitos de células ou baterias (telefones ou laptops, câmeras, etc.).
Outros transistoresExceto no campo das altas potências, tornou-se raro ter apenas um transistor em uma caixa (para altas potências, vamos optar por um conjunto Darlington , permitindo obter um maior ganho de corrente).
O circuito integrado permitiu interconectar primeiro milhares, depois milhões. A integração de mais de um bilhão de transistores em um único componente foi alcançada porjunho de 2008pela Nvidia com o GT200. O chip, utilizado como processador gráfico (GPU), chega a 1,4 bilhão de componentes elétricos gravados em 65 nanômetros, em uma superfície de aproximadamente 600 mm 2 .
Esses circuitos integrados são usados para fazer microprocessadores , memórias e a maioria dos componentes ativos .
Processadores de consumo:
Gráfico de domínio :
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