Transístores unipolares
(19 283)Os transístores unipolares, tal como os transístores bipolares, são componentes eletrónicos que amplificam os sinais elétricos. Mediante o uso de um sinal de controlo de baixa potência, conseguem controlar uma tensão alta ou uma corrente alta. São, assim, uma espécie de interruptor. Os transístores unipolares são utilizados em conversores, amplificadores de potência, inversores e dispositivos afins. Vale a pena referir que os processadores, por exemplo, são compostos por até mil milhões de transístores unipolares muito pequenos, encerrados numa carcaça.
Tipos de transístores unipolares
Há vários tipos de transístores unipolares, incluindo os J-FET (do inglês, Junction Field Effect Transistor), os MOSFET (do inglês, Metal Oxide Semiconductor FET) e os TFT (do inglês, Thin Film Transistor). Há vários outros tipos de transístores unipolares, mas, na prática, os mais usados em circuitos eletrónicos são os dois primeiros tipos. Por outro lado, os transístores TFT, devido à sua limitada gama de aplicações, são utilizados principalmente em ecrãs de cristais líquidos (LCD).
Construção e funcionamento dos transístores unipolares
Os transístores unipolares têm, por padrão, três condutores, chamados drenagem, fonte e porta. Tendo em conta que os transístores unipolares e bipolares aparecem com maior frequência nas mesmas carcaças e cumprem funções quase idênticas, é difícil distingui-los entre si à primeira vista. No entanto, há que lembrar que têm uma estrutura diferente.
Os transístores de efeito de campo J-FET funcionam principalmente graças às propriedades do fenómeno do campo elétrico. A construção deste tipo de transístor baseia-se no uso de uma camada de um semicondutor tipo N ou tipo P, ao qual são conectados os condutores de drenagem e a fonte, e um semicondutor de tipo de dopagem fraca e oposta, que geralmente envolve o chamado canal do transístor e ao qual está conectado o cabo da porta. A dopagem do semicondutor de canal determina se se trata de um transístor J-FET de tipo N (N-JFET) ou de tipo P (P-JFET), sendo este último utilizado com muito menos frequência na prática.
Descrevamos, por exemplo, o funcionamento de um transístor J-FET unipolar com canal N. Quando há tensão nos pinos deste elemento, marcados como drenagem e fonte, a corrente flui entre a fonte e a drenagem. No caso de a união da porta estar inversamente polarizada, isto é, no caso de a tensão aplicada à porta ser negativa à fonte, a corrente que flui através do canal do transístor começará a diminuir e depois desvanecer-se-á. Isso deve-se ao facto de a área drenada entre a drenagem e a fonte começar a aumentar. Se a diferença de tensão entre a porta e a fonte for suficientemente alta, isto é, para um J-FET de canal N, se a tensão da porta for suficientemente baixa, a corrente deixará de fluir completamente através do canal. Regra geral, esta tensão é de poucos volts e depende do tipo específico de transístor. Este estado do transístor unipolar é denominado corte, e o valor de resistência que aí se produz entre a drenagem e a fonte é muito elevado, na ordem dos gigaohms [GΩ]. Vale a pena destacar que o controlo do transístor unipolar é apenas de tensão. A corrente que flui entre a porta e a fonte é praticamente zero.
Transístores unipolares MOSFET
Outro tipo de transístores unipolares de uso comum é o transístor MOSFET. Neste tipo de elemento eletrónico, a porta, fabricada em metal, está galvanicamente isolada dos demais elementos do transístor com uma fina zona de dióxido de silício. A parte principal, e a maior, do MOSFET é o substrato, isto é, um semicondutor de tipo P ou tipo N de dopagem fraca ao qual são conectados o cabo-base e duas áreas pequenas com dopagem oposta e forte. Os pinos de fonte e drenagem estão conectados a eles. Determinam se o transístor é um canal tipo P ou tipo N. Quando não existe diferença de tensão entre os pinos individuais do transístor unipolar, as duas uniões P-N entre a fonte e a drenagem formam dois díodos conectados em série. Neste caso, um deles tem polarização inversa, pelo que não há possibilidade de a corrente fluir através do transístor (sempre que a tensão aplicada não exceda o valor máximo permitido). No entanto, se a porta, que se encontra entre a fonte e a drenagem, mostra um valor de tensão suficientemente alto com a polarização adequada (por exemplo, no caso de um transístor com um canal tipo N, será positivo à fonte) e o chamado limiar de tensão, o efeito do campo elétrico na camada de um semicondutor de dopagem fraca abaixo dele terá como resultado a formação da chamada camada de inversão. Isto cria um canal que conecta eletricamente os cabos da fonte e a drenagem. Neste caso, a intensidade da corrente que pode fluir através do transístor depende do valor de tensão aplicado à saída da porta e é uma relação linear, mas só até um certo valor de corrente de drenagem. Naturalmente, também há um valor para a tensão aplicada à saída da porta acima do qual a corrente já não aumentará, valor designado por tensão de saturação.
O caso que acabamos de descrever refere-se a um transístor MOSFET com um canal melhorado. Um transístor deste tipo normalmente está fechado e só quando se aplica a tensão adequada à porta é que esta se abre, mas também há transístores com um canal drenado, que são muito menos comuns, nos quais, se a porta tiver o mesmo potencial que a fonte, será aberta e poderá conduzir eletricidade.
A construção do transístor MOSFET faz com que se comporte como um condensador, podendo ter uma capacidade bastante grande. Portanto, alterar o estado de um transístor deste tipo a alta frequência pode ser problemático, uma vez que demora algum tempo carregar e descarregar a capacitância na porta e, portanto, alterar o estado de condução deste elemento elétrico. Por essa razão, os sistemas de controlo MOSFET devem caracterizar-se por uma alta eficiência de corrente. Outra propriedade dos transístores MOSFET é terem um díodo entre a drenagem e a fonte, por vezes denominado díodo parasita. A sua existência resulta da própria estrutura do transístor, que já foi explicada. Esta informação é importante no caso do controlo de CA.
Os transístores unipolares estão disponíveis em forma de elementos de montagem em superfície ou em orifício de passagem. Por essa razão, vêm em muitas carcaças diferentes, sendo as mais populares as DPAK, D2PAK, TO220, TO247 e SOT23. Regra geral, têm três pinos (sem contar com os transístores multicanal).
Parâmetros e características dos transístores unipolares
Os parâmetros importantes para escolher o transístor certo são, entre outros, a tensão máxima entre drenagem e fonte (expressa em volts) [V]), a tensão máxima de fonte de porta, que neste caso é a tensão de controlo, a corrente máxima de drenagem (expressa em amperes [A]), a potência de dissipação (expressa em watts [W]), bem como a resistência de condução (expressa em ohms [Ω] ou em miliohms [mΩ]). Exceder a tensão ou a corrente máximas pode provocar um mau funcionamento do componente ou danos irreversíveis. Além disso, a dissipação de demasiada energia no transístor unipolar pode causar o seu sobreaquecimento e danificá-lo. Na prática, são utilizados dissipadores de calor adicionais, que estão em contacto com o componente e, portanto, permitem uma dissipação de calor mais eficiente para o meio ambiente. Por vezes (por exemplo, ao alterar as fontes de alimentação), também é utilizada a circulação forçada de ar, que é assegurada por ventiladores e melhora a refrigeração.
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