ToyOS: O transístor bipolar de junção

Você já ouviu muito isso, não? “O processador têm trocentos zilhões de transístores!”, mas, o que diabos é um transístor?

O termo refere-se a uma analogia com os velhos potenciômetros (resistores variáveis). Ele significa, em inglês, “Transfer Resistor” ou, em tradução livre, “transferência de resistência”. Ao invés de variar a resistência entre dois terminais de maneira mecânica, girando ou deslizando um knob, um transístor usa um sinal elétrico.

Da mesma forma que um diodo, um transístor bipolar de junção tem cristais P e N, mas ao invés de apenas dois, tem três e em oposição (veja a figura abaixo)… Isso nos dá duas configurações possíveis: PNP ou NPN. Como temos três cristais e três terminais, teremos dois “polos”: Num transístor NPN (que é o que mostrarei aqui), temos uma polarização entre os cristais PN (de NPN) e outra entre os cristais NP (de NPN). O adjetivo “de junção” também já foi explicado quando falei dos diodos.

Eis o símbolo de um BJT (Bipolar Juntion Transistor) e um diagrama equivalente, em termos do arranjo dos cristais:

Símbolo e disposição simplificada
Símbolo e disposição simplificada

Os terminais B, C e E são chamados de Base, Coletor e Emissor, respectivamente. Esses nomes foram baseados na configuração das antigas válvulas onde um filamento era a fonte de elétrons livres (esquenta-se um filamento e forma-se uma “nuvem” de elétrons — percebida pela luminosidade). Esses elétrons livres são “coletados” por uma grade intermediária e “emitidos”, ou acelerados, para uma placa metálica… Embora não estejamos falando de válvulas, o princípio é semelhante: O diodo PN entre base e emissor serve para “arrastar” as cargas livres no cristal N do coletor em direção ao emissor.

Repare, no diagrama acima, no tamanho relativo dos cristais. O cristal P, na base, é mais fino que os outros dois e há um motivo para isso… Para explicar é necessário o uso de um circuito de polarização típico para um transístor NPN:

Polarização típica de um BJT NPN
Polarização típica de um BJT NPN

O “diodo” entre B e E está diretamente polarizado e o diodo entre C e B tem que estar reversamente polarizado…Isso é fácil de observar se substituirmos o transístor acima por dois diodos:

Polarização dos diodos
Polarização dos diodos

Se a tensão da fonte de sinal (do lado esquerdo) tiver tensão suficiente, V_{BE} atingirá o ponto de condução deste diodo, fazendo com que as lacunas do cristal P e as cargas negativas livres do cristal N do emissor fiquem “alinhadas” (ao invés de aleatoriamente espalhadas) ou “juntinhas”. Já que o cristal da base é fininho, fica fácil uma carga negativa, na corrente real, pular do cristal N do emissor para o cristal N do coletor, passando pelo cristal P.

Se o diodo entre B e E não estiver conduzindo, ou seja, se V_{BE} < 0,6\,V, então as lacunas no cristal P não estarão alinhadas (ou “juntinhas”) e as cargas do cristal N no emissor estarão caoticamente espalhadas, impossibilitando a circulação de corrente entre o coletor e o emissor.

Com isso temos que a tensão V_{BE} controla a corrente de base I_B que, por sua vez, controla a corrente de coletor I_C. Pode-se inferir que o que estamos controlando, na realidade, é a resistência, imposta pelos cristais em oposição, entre o coletor e o emissor! Daí o nome do componente eletrônico.

De fato, a curva característica de I_B, em função de V_{BE}, é a mesma de um diodo comum, mas a curva característica de V_{CE} versus I_C, em função de I_B, é mais complicada:

Curva característica de $latex V_{CE}$ versus $latex I_C$
Curva característica de V_{CE} versus I_C

Esta é a curva característica V_{CE} \times I_C de um transístor NPN modelo BC548… O que essa curva demonstra é que I_C é, nas condições certas, diretamente proporcional à corrente I_B. Ou seja, dado uma escala \beta, temos:

\displaystyle I_C\approx\beta\cdot I_B

As curvas mostram outras coisas interessantes: Se, digamos, I_B < 20\,\mu A, não importa qual seja a tensão V_{CE}, a corrente I_C será aproximadamente zero. Ou seja, resistência entre coletor e emissor tende a infinito. Neste caso é dito que o transístor está em corte. No outro caso, se I_B > 400\,\mu A, então a corrente I_C tende a aumentar rapidamente, ou seja, a resistência é muito pequena. Neste caso é dito que o transístor está numa situação de saturação.

Transístores bipolares como chaves:

Em circuitos digitais é comum que transístores sejam usados, basicamente, nas condições de corte e saturação. É como se ele fosse uma chave. Se I_B=0 temos um circuito aberto entre o coletor e o emissor. Mas, se V_{BE}\approx 0,6\,V, a corrente I_B será suficiente para colocar o transístor em saturação, reduzindo a resistência elétrica entre coletor e emissor bem próxima a zero, fechando o circuito. Note que se V_{BE}<0,6\,V então I_B será, necessariamente, zero…

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