Como é feito um transistor?

Foto: uma bolacha de silício. Foto por cortesia do NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

transistores são feitos de silício, um elemento químico encontrado na areia, que normalmente não conduz a eletricidade (não permite que elétrons fluam através dela facilmente).O silício é um semicondutor, o que significa que não é realmente um condutor (algo como um metal que deixa a eletricidade fluir) nem uminsulador (algo como o plástico que impede a eletricidade fluir). Se tratarmos o silício com impurezas (um processo conhecido como doping),podemos fazê-lo comportar-se de forma diferente. Se doparmos silício com os elementos químicos arsênico, fósforo ou antimônio,o silício ganha alguns elétrons “livres” extras—aqueles que podem transportar uma corrente elétrica—para que os elétrons fluam mais naturalmente. Como os elétrons têm uma carga negativa, o silicontried desta forma é chamado N-type (negativetype). Também podemos dopar silício com outras impurezas,como boro, gálio e alumínio. O silício tratado desta forma tem menos elétrons”livres”, então os elétrons em materiais próximos tendem a fluir para ele. Nós chamamos este tipo de silício tipo P (tipo positivo).

rapidamente, de passagem, é importante notar que nenhum tipo de silício ou tipo p realmente tem uma carga em si: ambos são eletricamente neutros. É verdade que o silício do tipo n tem elétrons extra “livres” que aumentam sua condutividade, enquanto o silício do tipo p tem menos desses elétrons livres, o que ajuda a aumentar sua condutividade da maneira oposta. Em cada caso, a condutividade extra vem de ter adicionado átomos neutros (não carregados) de impurezas ao silício que era neutro Para começar—e não podemos criar cargas elétricas a partir do ar! Uma explicação mais detalhada precisaria que eu introduzisse uma ideia chamada teoria da banda, que está um pouco além do âmbito deste artigo. Tudo o que precisamos lembrar é que “elétrons extras” significa elétrons livres extras—aqueles que podem mover-se livremente e ajudar a transportar uma corrente elétrica.temos agora dois tipos diferentes de silício. Se as colocarmos juntas em camadas, fazendo sanduíches de material do tipo p e n, Podemos fazer diferentes tipos de componentes eletrônicos que funcionam em todos os tipos de maneiras.suponha que unimos um pedaço de silício tipo n A Um pedaço de P-typesilicon e colocamos contatos elétricos em ambos os lados. Coisas excitantes e úteis começam a acontecer na junção entre os dois materiais. Se virarmos a corrente, podemos fazer os electrões fluírem através da junção do lado do tipo n para o lado do tipo p e para fora através do circuito. Thishappens because the lack of electrons on the P-type side of thejunction pulls electrons over from the N-type side and vice-versa. Mas se invertermos a corrente, os electrões não fluirão. O que fazemos aqui é chamado de díodo (ou retificador).é um componente Eletrônico que permite que a corrente flua através dele em apenas uma direção. É útil se quiser rodar a corrente interdirecta (de duas vias) Eléctrica alternada. Diodos também podem ser feitos para que eles dão luz quando a eletricidade flui através deles. Você pode ter visto os díodos emissores de luz (LEDs) em calculadoras de bolso e discos eletrônicos em equipamento estéreo hi-fi.

How a junction transistor works

Photo: a typical silicon PNP transistor (an A1048 designed as an audio-frequency amplifier).agora suponha que usamos três camadas de silício em nosso sanduíche em vez de duas. Podemos fazer um p-n-p sanduíche (com uma fatia de n-typesilicon como o recheio entre duas fatias de tipo-p) ou um n-p-nsandwich (com o tipo-p, entre as duas chapas do tipo-n). Se juntarmos contatos elétricos a todas as três camadas da sanduíche, podemos fazer um componente que amplifica uma corrente ou a liga em oroff—em outras palavras, um transistor. Vamos ver como funciona no caso do transístor ann-p-N.para sabermos do que estamos a falar, vamos dar nomes aos três contactos eléctricos. Vamos chamar os dois contactos ligados às duas peças de silício tipo n, o emissor e o colector,e o contacto ligado ao silício tipo p, vamos chamar a base. Quando não há corrente está fluindo no transistor, sabemos que o silício do tipo p é curto de elétrons (mostrados aqui pelos sinais mais pequenos, representando cargas positivas) e as duas peças de silício do tipo n têm elétrons extras(mostrados pelos sinais menos pequenos, representando cargas negativas).

Outra maneira de olhar para isto é para dizer que, enquanto a do tipo n tem asurplus de elétrons, o tipo p tem buracos onde electronsshould ser. Normalmente, os buracos na base agem como uma barreira, impedindo qualquer fluxo de corrente significativa do emissor para o coletor, enquanto o transistor está em seu estado “fora”.

um transistor funciona quando os elétrons e os furos começam a mover-se através das duas junções entre o silício do tipo n e o silício do tipo p.

Let’SConnect the transistor up to some power. Suponha que anexamos uma pequena voltagem positiva à base, fazemos o emissor carregado negativamente, e fazemos o coletor carregado positivamente. Os elétrons são puxados do emissor para a base—e, em seguida, da base para o coletor. Eos transistor muda para o seu estado “on”:

A pequena corrente que nos liga na base, faz uma grande currentflow entre o emissor e o coletor. Ao transformar uma pequena inputcurrent em uma grande corrente de saída, o transistor age como um amplificador. Mas também age como um interruptor ao mesmo tempo. Quando não há corrente na base, pouco ou nenhum fluxo de corrente entre o coletor e o emissor. Ligue a corrente de base e um grande fluxo de corrente. Então a corrente de base liga e desliga todo o transistor. Tecnicamente, este tipo de transistor é chamado bipolar porque dois tipos diferentes (ou” polaridades”) de carga elétrica (elétrons negativos e buracos positivos) estão envolvidos em fazer o fluxo atual.

também podemos entender um transistor pensando nele como um par de díodos. Com a base positiva e o emissor negativo, a junção base-emissor é como um diodo para a frente, com elétrons movendo-se em uma direção através da junção (da esquerda para a direita no diagrama) e buracos indo na direção oposta (da direita para a esquerda). A função base-collectorjunction é como um diodo com tendência inversa. A tensão positiva do coletor pullsmost dos elétrons através e para o circuito exterior (embora alguns elétrons se recombinem com buracos na base).

How a field-effect transistor (FET) works

All transistors work by controlling the movement of electrons, but not all of them do it the same way. Como um transistor de junção, um FET(transistor de efeito de campo) tem três terminais diferentes – mas eles têm os nomes fonte (análogo ao emissor), dreno(análogo ao colector), e porta (análogo à base). Numa FET, as camadas de silício do tipo N e do tipo p são dispostas de uma forma ligeiramente diferente e revestidas com camadas de metal e óxido. Isso nos dá um dispositivo chamado aMOSFET (Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor).

apesar de existirem elétrons extra na fonte do tipo n e drenar,eles não podem fluir de um para o outro por causa dos buracos na porta do tipo p entre eles. No entanto, se nós anexarmos um positivevoltagem à porta, um campo elétrico é criado lá que permite que os elétrons fluam em um canal fino da fonte para o dreno. Este “efeito de campo” permite que uma corrente flua e comuta o transistor em:

Por uma questão de completude, poderíamos note que um MOSFET é um unipolartransistor porque um só tipo (“polaridade”)de carga elétrica está envolvido em fazer o trabalho.

como funcionam os transistores em calculadoras e computadores?

na prática, você não precisa saber nada sobre elétrons e buracos a menos que você esteja indo para projetar chips de computador para viver! Tudo o que precisa de saber é que o astransistor funciona como um amplificador ou um interruptor, usando uma pequena corrente para ligar uma maior. Mas há outra coisa que vale a pena saber: como é que tudo isto ajuda os computadores a armazenar informação e a tomar decisões?

Podemos colocar alguns interruptores transistores juntos para fazer algo chamado uma porta lógica, que compara várias correntes de transferência e dá uma saída diferente como resultado. Os portões lógicos permitem que os computadores tomem decisões simples usando uma técnica matemática chamada álgebra booleana. O teu cérebro toma decisões da mesma maneira. Por exemplo,usando ” inputs “(coisas que você sabe) sobre o tempo e o que você tem em seu corredor, você pode tomar uma decisão como esta: “Se estiver a chover e eu tiver um guarda-chuva, irei a theshops”. Este é um exemplo de álgebra booleana usando o que é chamado de um e”operador” (o operador da palavra é apenas um pouco de jargão matemático tomake coisas parecem mais complicadas do que elas realmente são). Pode tomar decisõesimilares com outras operadoras. “Se está vento ou está nevando,então eu vou colocar um casaco” é um exemplo de usar um ou operador. Ou que tal “se estiver a chover e eu tiver um guarda-chuva ou um casaco, então está tudo bem para sair”. Usando e,ou, e outros operadores chamadosnor, XOR, NOT, e NAND, os computadores podem somar ou comparar números binários.Essa ideia é a pedra fundamental dos programas de computador: as logicalseries de instruções que fazem com que os computadores façam coisas.

normalmente, um transistor de junção é ” desligado “quando não há corrente de base e muda para” ligado ” quando a corrente de base flui. Isso significa que usa uma corrente eléctrica para ligar ou desligar o transistor. Mas transistores como este podem estar ligados a portas lógicas para que as suas ligações externas se alimentem de volta às suas entradas. O transisteno permanece ligado mesmo quando a corrente de base é removida. Cada vez que uma nova corrente de base flui, o transistor “flips” ligado ou desligado. Permanece em um desses estados estáveis (on ou off) até que outra moeda se aproxima e a vira para o outro lado. Este tipo de arranjo é conhecido como um flip-flop e transforma um transistor em um dispositivo simplememório que armazena um zero (quando está desligado) ou um (quando está desligado). Chinelos são a tecnologia básica por trás de chips de memória de computador.