Transistor: A maior invenção da humanidade

Introdução

A história e criação do transistor data de 1947, quando o primeiro transistor foi desenvolvido por John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley nos laboratórios Bell, nos Estados Unidos. Esse invento foi um marco na eletrônica, fazendo com que em 1956, os criadores do transistor recebessem o Prêmio Nobel de Física pelo avanço significativo que proporcionaram à ciência e à tecnologia.

Antes da criação dos transistores, os circuitos eletrônicos dependiam das válvulas termiônicas, que eram grandes, frágeis e consumiam muita energia. Com o advento dos transistores, os dispositivos puderam ser miniaturizados, resultando na evolução dos computadores, passando dos enormes mainframes para os laptops e smartphones de hoje.

Mas afinal de contas o que é exatamente um transistor e como ele funciona? E é sobre isso que vamos tratar no texto.

Tipos de transistor

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(BJT):

Primeiramente, os transistores bipolares podem ser de dois tipos, são eles NPN e PNP. Essas siglas representam a composição dos materiais semicondutores que formam o transistor. O transistor NPN é composto por camadas de material semicondutor na sequência Negativo-Positivo-Negativo, enquanto o transistor PNP possui a estrutura Positivo-Negativo-Positivo.

Cada transistor possui três terminais principais: base, coletor e emissor. A base é responsável por controlar o fluxo de corrente entre os outros dois terminais. O coletor recebe a corrente principal que passa pelo transistor, enquanto o emissor emite essa corrente para o circuito.

Uma corrente na base do transistor permite uma corrente muito maior em todo o emissor e as derivações do coletor. NPN e PNPs são exatamente os mesmos em sua função, fornecem amplificação e/ou capacidade de comutação. Os transistores NPN e PNP diferem na forma como a energia deve ser alocada aos seus terminais para permitir a amplificação ou a mudança de estado. Como possuem construções internas distintas, a distribuição de corrente e tensão também precisa ser diferente para que funcionem corretamente.

Um transistor NPN opera quando recebe tensão positiva no terminal coletor e também uma tensão positiva no terminal base. Já um transistor PNP requer tensão positiva no terminal emissor e uma tensão mais negativa no terminal base (ou seja, menor do que a fornecida ao emissor).

• Transistores Tipo Efeito de Campo(FET):

Outro tipo de transistor muito utilizado é o FET, que diferente do TBJ, é controlado de acordo com a tensão no seu terminal de controle (gate). Esse dispositivo possui três terminais: o gate, que é análogo a base; o source, que possui a mesma função do emissor; e o drain que possui a mesma função do coletor.

O transistor de efeito de campo (FET) é um dispositivo unipolar, ou seja, conduz apenas um tipo de carga por vez, sem depender de junções PN. Ele possui um canal semicondutor que liga o source ao drain, podendo ser de canal N (conduz elétrons) ou canal P (conduz lacunas). Os dois principais tipos de FET são: JFET (Junction Field Effect Transistor) e MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Ambos são mais compactos que os transistores bipolares (TBJ) e possuem alta impedância de entrada, o que os torna independentes da corrente para operação.

Em nossa era digital, o FET tem assumido um papel cada vez mais central na miniaturização de dispositivos. À medida que a demanda por dispositivos mais compactos e eficientes em termos de energia cresce, a capacidade dos FETs de operar com baixo consumo de energia e em escalas micro e nanométricas os torna indispensáveis. Eles são fundamentais para a evolução dos processadores de computador, permitindo que tenhamos chips cada vez mais poderosos e eficientes em termos de energia.

Lacunas e sua relação com transistores

Antes de partir para o funcionamento de um transistor na prática, vamos abordar um dos conceitos mais importantes para a engenharia eletrônica: as lacunas, que por sua vez, podem ser consideradas o verdadeiro “oposto” dos elétrons.

Em semicondutores, como o silício e o germânio, os elétrons podem se mover através da estrutura cristalina, criando o que chamamos de lacunas. Elas são essencialmente a ausência de um elétron em um nível de energia, e elas também se comportam como portadoras de carga positiva. Nos transistores, a interação entre elétrons e lacunas é crucial para o funcionamento do dispositivo, especialmente no caso dos transistores bipolares, onde a recombinação entre elétrons e lacunas na base influencia a condução da corrente.

Esse conceito é essencial para entender o funcionamento dos semicondutores. A dopagem de materiais semicondutores cria regiões ricas em elétrons (tipo N) e regiões ricas em lacunas (tipo P), permitindo a criação de junções PN, que são a base dos transistores e diodos.

Funcionamento de um transistor

O transistor é um dispositivo semicondutor, geralmente feito de silício ou germânio, utilizado essencialmente para barrar ou atenuar a intensidade da corrente elétrica em um circuito eletrônico. Isso significa que ele pode ligar e desligar rapidamente ou aumentar a potência de um sinal, tornando-se essencial para o funcionamento de computadores, celulares e outros dispositivos modernos.

Mas então, como funciona de fato a parte eletrônica de um transistor? Para isso, separamos um vídeo bem detalhado com o objetivo de esclarecer visualmente as dúvidas sobre sua funcionalidade:

Principais aplicações 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. Agora vamos apresentar suas utilizações mais comuns:

• Como amplicador:

No modo de amplificação, um pequeno sinal de entrada aplicado à base (no caso dos BJTs) ou ao gate (nos FETs) pode controlar uma corrente significativamente maior entre o emissor e o coletor ou entre a fonte e o dreno. Isso permite que os transistores sejam usados para amplificar sinais de áudio, rádio e até impulsos elétricos em circuitos de comunicação. Em amplificadores de áudio, por exemplo, um transistor pode transformar um sinal fraco de um microfone em um sinal forte o suficiente para acionar alto-falantes. Esse princípio é fundamental para aplicações em equipamentos de som, transmissão de rádio e televisores.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

Transistores e os processadores atuais

Todas essas funções fazem dos transistores os componentes básicos de todos os chips eletrônicos, como aqueles presentes em nossos computadores. Todos esses chips funcionam por meio de uma língua bastante simples, o código binário. Os computadores são capazes de traduzir um extenso código formado pelos dígitos 0 e 1 em letras, palavras e imagens. Esses dígitos, 0 e 1, são chamados de bits e são implementados pelos transistores: quando um transistor encontra-se ligado (alta corrente), o computador lê o bit 1 , quando ele se encontra desligado (corrente baixa ou nula), o computador atribui-lhe o bit 0.

Os processadores modernos são compostos por bilhões de transistores conectados uns aos outros, formando portas lógicas complexas, que desempenham um papel fundamental na capacidade de processamento e eficiência energética dos chips. A quantidade de transistores em um processador está diretamente relacionada ao seu desempenho, pois cada transistor funciona como um pequeno interruptor eletrônico que pode estar ligado ou desligado.

A relação entre o número de transistores e a capacidade de um processador está atrelada ao conceito de bits e operações lógicas. Cada bit processado pelo chip depende da interação de milhões de transistores que formam circuitos lógicos complexos. Quanto maior o número de transistores, maior é a capacidade do processador de realizar operações simultâneas, permitindo o aumento da velocidade e da eficiência em tarefas computacionais.

A evolução da microeletrônica possibilitou a criação de transistores cada vez menores, permitindo que mais unidades fossem integradas em um único chip. Processadores modernos, como os da série Apple M1 e os chips da AMD e Intel, possuem dezenas de bilhões de transistores, possibilitando maior desempenho em inteligência artificial, gráficos avançados e processamento de grandes volumes de dados. Essa miniaturização também está associada ao consumo energético reduzido, pois transistores menores exigem menos energia para operar, resultando em dispositivos mais eficientes e com maior duração da bateria em dispositivos móveis.

Lei de Moore e o futuro dos transistores

A ASML Holdings, empresa holandesa responsável pelo desenvolvimento de máquinas para produção de semicondutores, revelou planos para criar processadores com até 300 bilhões de transistores até 2030, reforçando que a Lei de Moore ainda se mantém válida.

A Lei de Moore, formulada por Gordon Moore em 1965, prevê que a quantidade de transistores em um chip dobra aproximadamente a cada 18 a 24 meses, aumentando o poder de processamento sem elevar significativamente os custos. Embora muitos especialistas tenham declarado seu fim devido às limitações físicas dos semicondutores, avanços como a litografia ultravioleta extrema (EUV) e novas arquiteturas continuam permitindo a miniaturização dos transistores.

Para atingir a marca dos 300 bilhões de transistores, a ASML aposta em duas estratégias: aumentar a densidade de transistores e melhorar o empacotamento. Inicialmente, a empresa pretende usar nanosheet-FETs e litografia EUV extrema para escalar além dos limites atuais. Em seguida, novas tecnologias, como nanofolhas bifurcadas (para chips de 1,5 nm), CFETs (para 1 nm) e canais atômicos 2D (para abaixo de 1 nm), serão fundamentais.

Além disso, a empresa prevê que chips com 50 bilhões de transistores se tornem padrão até 2030, utilizando sistemas multi-módulos (MCM) e empacotamento 3D para superar a barreira dos 300 bilhões de transistores. Esse avanço não se limitará apenas a processadores: memórias NAND também evoluirão, podendo atingir 500 camadas, frente às 176 camadas atuais.

Outras empresas, como TSMC e AMD, também avançam em tecnologias de empacotamento e empilhamento, buscando desenvolver chips mais eficientes e potentes para o futuro da computação.