Teoria Fundamental dos Semicondutores e Transístores

Ao examinar e discutir a teoria dos semicondutores, vamos considerar a natureza dos cristais. A maioria dos sólidos, exceto aqueles que possuem a estrutura biológica de células, tais como as folhas das árvores e os ossos, possuem estrutura cristalina. Na realidade, muitas substâncias evidenciam um padrão cristalino específico, quando vistas ao microscópio. Podem ser identificadas pelos ângulos e planos das áreas de suas superfícies: alguns materiais cristalinos se formam como cubos; alguns se formam como longas agulhas e variações de estruturas hexagonais. Ao examinar um dispositivo semicondutor, não se pode ver o cristal. Essa característica é mencionada e a estrutura atômica de cristais selecionados é discutida brevemente, apenas para alcançar melhor compreensão da maneira como funcionam os semicondutores.

Estrutura atômica e elétrons de valência

Estrutura atômica

Para começar a discussão dos semicondutores, vamos examinar a estrutura atômica do germânio, silício, alumínio e fósforo. 

Nota: Na presente discussão, consideraremos apenas como interagem os elétrons e prótons. Outras partículas existentes no átomo não são de importância para a explicação.

(1) Átomo de germânio. A figura 1A, mostra que o núcleo ou centro do átomo contém 32 prótons ou partículas positivas; possui também 41 nêutrons ou partículas neutras. Observe-se também que há 32 elétrons ou partículas negativas, que circulam em torno do núcleo em quatro órbitas (camadas).

Figura 1 — Estrutura dos átomos

Em seu estado normal, o átomo é eletricamente neutro: o número de partículas negativas (elétrons) é igual ao número de partículas positivas (prótons). As três órbitas internas estão completas com um total de 28 elétrons fortemente ligados. A órbita externa está incompleta e tem apenas quatro elétrons. Estes elétrons na órbita externa são denominados elétrons de valência; eles são livres para circular dentro da estrutura cristalina.

A órbita externa de um átomo de germânio isolado é incompleta e tem apenas quatro elétrons. Sua órbita externa estaria completa com oito elétrons. O problema, consequentemente é aumentar o número de elétrons na órbita externa.

A solução é permitir que um átomo compartilhe seus elétrons de valência com outros átomos adjacentes. Afortunadamente, os elétrons de valência buscam associar-se aos de outro átomo, a fim de completar a órbita externa. Quando isso acontece e os átomos ficam ligados pelos seus elétrons de valência, dá-se a designação de ligação de par de elétrons. O termo mais comum para os átomos que compartilham elétrons dessa maneira é ligação covalente.

A figura 2 mostra a ligação covalente de átomos adjacentes, na qual cada átomo compartilha seus elétrons de valência. O número quatro no interior do núcleo indica o número de elétrons na órbita externa. Observe-se que a discussão se efetuará, na realidade, sobre os elétrons de valência; não nos preocuparemos com os elétrons que formam as órbitas internas dos átomos.

Figura 2 — Estrutura de ligação covalente de um cristal perfeito de germânio ou silício.

(2) Átomo de silício. O átomo de silício tem 14 elétrons (figura 1B). A semelhança entre um átomo de germânio e um átomo de silício é que ambos possuem quatro elétrons de valência. Os dispositivos semicondutores e transístores podem ser feitos de cristais de germânio ou de silício.

(3) Átomo de alumínio. Observe-se que há 13 elétrons em órbita (figura 1C). Este átomo tem três elétrons de valência.

(4) Átomo de fósforo. Semelhantemente a outros átomos já examinados, sua órbita externa também é incompleta. O átomo de fósforo contém 5 elétrons de valência.

Elétrons de valência

Os elétrons de valência de cada átomo de um bom condutor, como o cobre, possuem ligações frouxas com o núcleo. Sob a influência de um campo elétrico, movimentam-se facilmente no condutor. Contudo, os elétrons de valência que fazem parte de uma ligação covalente não se libertam facilmente de suas ligações. É por isso que materiais cristalinos, como o germânio e o silício, são maus condutores em condições normais.

Fluxo de elétrons nos semicondutores

Até agora, analisamos apenas a estrutura atômica de semicondutores que não são influenciados por qualquer força externa, como calor ou luz. Sem calor ou luz, todos os elétrons são mantidos em suas órbitas: não se podem libertar para circularem dentro dos materiais cristalinos. Consequentemente, a baixas temperaturas, os semicondutores não expostos a qualquer outra força externa são, na realidade, isolantes, isto é, não condutores.

Em temperaturas ambientes, há calor suficiente (energia térmica) para fazer com que o cristal semicondutor entre em vibração e liberte alguns elétrons de suas ligações covalentes. Os poucos elétrons libertados podem movimentar-se ou derivar sem rumo dentro do cristal semicondutor; chamam-se elétrons livres.

Depois que um elétron se liberta de sua ligação covalente, o átomo que ele deixa fica com falta de um elétron. O resultado é que, quando o átomo perde um elétron, ele contém mais prótons (carga positiva) que elétrons (carga negativa). Esse átomo específico está positivamente carregado. Lembremo-nos, contudo, que o elétron livre continua dentro do material cristalino, de maneira que o número total de prótons e elétrons no cristal ainda está compensado. No que diz respeito ao pedaço inteiro do material semicondutor, ele continua eletricamente neutro.

Teoria elétron-lacuna

Em certas condições, então, os elétrons podem libertar-se de suas órbitas. A perda de um elétron na órbita externa do átomo deixa uma lacuna na órbita e torna o átomo positivamente carregado. Esse átomo, agora positivo, pode atrair um elétron de outro átomo. Quando um elétron de outro átomo preenche a lacuna do átomo carregado positivamente, podemos dizer que o primeiro átomo está agora neutro e que o segundo átomo se tornou um átomo carregado positivamente.

Quando os elétrons viajam de um átomo para outro, eles preenchem as lacunas de alguns átomos e deixam lacunas em outros átomos. Basicamente, estão ocorrendo duas coisas: os elétrons se movimentam num sentido e as lacunas de movimentam no sentido oposto.

Na figura 3A, um elétron deixa o átomo "A", tornando-o positivamente carregado. Um elétron do átomo "E" se liberta e preenche a primeira lacuna, deixando o segundo átomo com uma lacuna.

Na figura 3B, vemos que a lacuna se movimentou do átomo "A" para o átomo "E". Um elétron que deixa o átomo "B preencherá a lacuna no átomo "E".

Na figura 3C, um elétron do átomo "C" preencherá a lacuna no átomo "B", neutralizando esse átomo e deixando uma lacuna no átomo "C".

As figuras 3D e 3E mostram o movimento adicional de lacuna e elétrons entre o átomo "C" e o átomo "H".

Figura 3 — Movimento da lacuna através do cristal.

Observar que o movimento de lacunas é no sentido oposto ao movimento de elétrons. O material cristalino continua eletricamente neutro: existe um elétron livre num extremo do cristal e uma lacuna no outro extremo (figura 3F).

Impurezas

Generalidades

É possível que átomos de outros elementos, que não o germânio e o silício, se incorporem à estrutura cristalina. Esses elementos são acrescentados intencionalmente durante o processamento do germânio ou silício e se denominam impurezas.

Impurezas doadoras e aceitadoras

Podem ser adicionados dois grupos de elementos à estrutura cristalina do germânio ou silício. Os elementos de um grupo se chamam doadores; no segundo grupo, eles de denominam aceitadores.

Um elemento doador é classificado assim porque ele tem cinco elétrons de valência. Os elementos doadores mais comuns são o arsênico, o fósforo e o antimônio (figura 4A e 4B). Quando comparamos o átomo do doador com o átomo de germânio ou silício, verificamos que o doador tem um elétron adicional de valência (figura 4A e 4B).

Figura 4 — Comparação das valências de vários átomos.

Um elemento aceitador contém apenas três elétrons de valência. São tipos de átomos aceitadores o alumínio, o boro, o gálio e o índio (figura 4C). Quando comparamos o átomo aceitador com o de germânio ou silício, verificamos que o átomo aceitador tem um elétron de valência a menos, que denominaremos lacuna (figura 4B e 4C).

Os materiais condutores do tipo-N utilizam impurezas doadoras

A figura 5 mostra um cristal semicondutor, no qual um dos átomos semicondutores foi substituído por um átomo doador. A impureza doadora contém cinco elétrons de valência. Observe-se que quatro dos elétrons de valência constituem uma ligação covalente com elétrons de quatro de seus vizinhos. Os elétrons dos átomos semicondutores e dos átomos doadores, que entram na ligações covalentes, formam estruturas bastante estáveis e não se deslocam facilmente.

Figura 5 — Cristal semicondutor com um átomo doador.

O quinto elétron de valência do átomo doador não pode formar ligação covalente e o núcleo do átomo doador tem influência muito fraca sobre este elétron adicional. Consequentemente, o elétron adicional é móvel e se denomina elétron livre. Em temperaturas ambientes normais, existe energia térmica ou calorífica suficiente para fazer com que esse elétron excedente se liberte do doador e se deixe levar através da estrutura cristalina. O resultado é que, para cada átomo doador, obtemos o que pode ser considerado um elétron livre.

Os materiais de germânio ou silício que contêm impurezas doadoras denominam-se materiais do tipo-N. A letra N se refere à carga negativa dos elétrons excedentes ou livres. As impurezas são adicionadas ao material condutor tipo-N na proporção de um átomo para vários milhões de átomos do semicondutor (germânio ou silício).

Depois que o elétron livre ou excedente deixa o átomo doador, este fica com carga positiva. Esta carga positiva é equilibrada na estrutura cristalina pela carga negativa do elétron livre. Recordemo-nos de que o átomo que ganha ou perde um elétron denomina-se íon.

Observar que o material semicondutor, que contém um íon doador (positivo), conterá também um elétron livre (negativo). O material cristalino em seu conjunto, consequentemente, é eletricamente neutro: tem carga líquida zero.

Os materiais semicondutores do tipo-P utilizam impurezas aceitadoras

A figura 6 mostra um cristal semicondutor, no qual um dos átomos semicondutores foi substituído por um átomo aceitador. A impureza aceitadora contém três elétrons de valência, que formam ligações covalentes com elétrons dos átomos vizinhos.

Figura 6 — Cristal semicondutor com um átomo aceitador.

Um elétron de valência do quarto átomo semicondutor vizinho não pode formar ligação covalente, porque o aceitador tem apenas três elétrons de valência. A posição que normalmente seria preenchida com um elétron recebe o nome de lacuna.

É possível que um elétron de uma ligação covalente adjacente absorva energia suficiente para romper sua ligação e preencher a lacuna. Quando isso acontece, a lacuna se movimenta para uma nova posição e ocorrem duas alterações importantes.

A primeira alteração é que o átomo aceitador fica ionizado. O aceitador adquiriu (ou recebeu) um elétron e é agora um íon negativo.

A segunda alteração é que o átomo semicondutor, que necessita quatro elétrons de valência, ficou agora com apenas três elétrons de valência. O átomo semicondutor que tem falta de um elétron tem carga positiva líquida equivalente à carga negativa do elétron. A lacuna positiva se movimenta dentro do cristal, da mesma maneira que o elétron livre se movimenta dentro do cristal. O conceito de lacuna e seu movimento é muito importante na compreensão do funcionamento dos transístores.

Observe-se que o cristal semicondutor, que contém um íon aceitador (negativo), contém também uma lacuna (positivo). Consequentemente, todo o cristal semicondutor possui carga líquida zero.

Os cristais de germânio ou silício que contêm impurezas aceitadoras denominam-se material tipo-P. A letra "P" refere-se à carga positiva da lacuna.

Elétrons e lacunas como portadores de corrente

Quando aplicamos tensão através de um semicondutor, ocorre condução pelo movimento de elétrons e lacunas. Os elétrons (cargas negativas) são atraídos pela tensão positiva e repelidos pela tensão negativa. As lacunas (cargas positivas) se movimentam no sentido oposto ao dos elétrons. As lacunas são atraídas pela tensão negativa e repelidos pela tensão positiva (figura 7A).

Figura 7 — Condução no material semicondutor tipo-N ou P.

Os elétrons são atraídos para o terminal positivo da bateria (figura 7B). Para cada elétron que deixa o cristal, entra nele outro elétron do terminal negativo da bateria.

Quando um elétron deixa o cristal, ele deixa uma lacuna atrás de si (figura 7C). As lacunas deixadas para trás e todas as outras lacunas no cristal são atraídas para o terminal negativo (figura 7D).

Observe-se que as lacunas não penetram na bateria, mas movimentam-se apenas no interior do cristal. Quando as lacunas chegam no terminal negativo, combinam-se com os elétrons que estão chegando. Para cada elétron que deixa o cristal, outro elétron entra e preenche a lacuna que ele deixou atrás de si.

Se invertermos a bateria através de um só pedaço de material tipo-N ou P, a quantidade de corrente continuará a mesma. Os elétrons continuarão a movimentar-se para um terminal positivo da bateria e as lacunas se movimentarão para o terminal negativo da bateria. A inversão da bateria na figura 7 apenas inverteu o movimento de elétrons e lacunas.

Portadores de corrente majoritários e minoritários

Material semicondutor tipo-N

O processo de acrescentar impurezas ao semicondutor denomina-se dopagem, e o material tipo-N tem muitos elétrons livres como resultado dessa dopagem. A figura 8A mostra material tipo-N que contém muitos elétrons livres e poucas lacunas. Existem lacunas no material tipo-N em consequência da libertação dos elétrons de valência quando o material é sujeito a calor, luz ou a uma tensão aplicada.

As linhas pontilhadas indicam a formação de uma lacuna e o elétron de valência que produziu a lacuna. Se fossemos combinar as lacunas e os elétrons de valência dentro das linhas pontilhadas, ficariam presentes apenas os elétrons livres dos átomos doadores.

A figura 8B mostra as mesmas cargas, exceto que os elétrons são indicados como partículas negativas e as lacunas como partículas positivas. Se contarmos os números de lacunas positivas e elétrons negativos, verificaremos que há muito mais elétrons do que lacunas.

Figura 8 — Semicondutor tipo-N.

Quando aplicamos uma tensão ao material do tipo-N, a maior parte da corrente no interior do cristal é provocada pelo movimento de elétrons: os elétrons são os portadores majoritários de corrente no material tipo-N. Algumas lacunas, contudo, também produzem pequena corrente; elas se denominam portadores minoritários de corrente.

Material semicondutor tipo-P

Como resultado da dopagem (acréscimo de átomos aceitadores), o material tipo-P contém muitas lacunas livres. A figura 9A mostra as lacunas e também as combinações de elétrons e lacunas (dentro das linhas pontilhadas) formadas pelos elétrons que rompem suas ligações covalentes. As lacunas e elétrons no mesmo material são indicadas como cargas negativas e positivas na figura 9B.

Figura 9 — Semicondutor tipo-P.

Quando aplicamos tensão ao material tipo-P, movimentam-se mais lacunas do que elétrons, porque ele contém mais lacunas.

Assim, os portadores de corrente majoritários no material tipo-P são lacunas; os portadores de corrente minoritários são elétrons.

Junções PN

Fundamentos das junções PN

Quando são reunidos dois pequenos pedaços de germânio ou silício tipo-P e tipo-N, suas superfícies de contato denominam-se de junção PN. Na junção PN ocorre uma coisa pouco comum e muito importante. Essa ação na junção permite que os semicondutores repitam a operação da maioria das válvulas eletrônicas.

Na figura 10A mostram-se dois pedaços de material tipo-N e P reunidos. As áreas da superfície dos materiais em contato uma com a outra denominam-se junção, e daí o nome junção PN. Observe-se que não há, na figura, circuitos externos nem tensões aplicadas ao material semicondutor.

Figura 10 — Junção PN.

Dentro de cada pedaço de material semicondutor há movimento constante de elétrons e lacunas devido à energia térmica. Esse movimento, quando não existe campo elétrico aplicado, denomina-se difusão. Observando-se os dois pedaços de material que foram reunidos, poderíamos imaginar que todos os elétrons do material N atravessariam a junção e se combinariam com todas as lacunas do material tipo-P. Na verdade, alguns elétrons atravessam a junção. Mas, quando o fazem, produzem uma região de esgotamento. Região de esgotamento é a região que ocorre na junção PN provocada pela formação de íons positivos e negativos. A região de esgotamento impede que os elétrons livres do material tipo-N se confundam com as lacunas livres do material tipo-P.

Vamos examinar um átomo doador e um átomo aceitador (figura 10B), e verificar o que acontece com ele. Na junção, o elétron livre do átomo doador se difunde (movimenta-se) no sentido da lacuna no átomo aceitador (figura 10C) e se combina com a lacuna. Depois de perder um elétron, o átomo doador se torna íon positivo (partícula carregada positivamente). Igualmente, o átomo aceitador ganha um elétron e se torna íon negativo )partícula carregada negativamente). A figura 10D mostra o íon positivo produzido no material N e o íon negativo produzido no material P.

As figuras 10E e 10F mostram um segundo elétron do material N combinando-se com uma lacuna no material P e produzindo um outro conjunto de íons positivo e negativo. Essa ação prossegue por tempo curto na vizinhança imediata da junção (figura 10G). Essa área da junção se denomina região de esgotamento. O número de íons na região de esgotamento permanece fixo; eles não contribuem para a corrente através do semicondutor.

Depois que se forma a região de esgotamento, qualquer elétron adicional que tenta movimentar-se através da junção é repelido pelos íons negativos agora presentes no material P (figura 10H). Como resultado, não é possível a ocorrência de outras recombinações de elétrons e lacunas através da junção.

Figura 11 — Barreira de potencial através da região de esgotamento.

Os átomos carregados ou íons na região de esgotamento produzem um outro efeito, que é equivalente a ligar uma minúscula bateria através da junção PN. Na realidade, o terminal positivo da "bateria" é ligado ao material N e seu terminal negativo ao material P (figura 11). É por isso que a tensão desenvolvida através da região de esgotamento se denomina barreira de potencial. A largura física da região de esgotamento é muito pequena e ela produz apenas barreira de potencial muito fraca (aproximadamente 0,1 volt).

Funcionamento básico do díodo de junção PN

O díodo é a forma mais simples de dispositivo semicondutor e contém dois elementos (cátodo e ânodo). Podemos construir facilmente um circuito de díodo semicondutor, ligando uma bateria através dos materiais semicondutores do tipo-P e N. Ligando-se o terminal positivo da bateria ao material P e o terminal negativo ao terminal N, provocamos o fluxo de corrente (Figura 12A).

Figura 12 — Díodos polarizados direta e inversamente.

Esse método de ligar o díodo PN chama-se polarização direta. Polarização é a tensão CC que existe entre pontos tais como o cátodo e ânodo do diodo, ou entre a base e emissor do transístor. A polarização geralmente é fornecida pela bateria de polarização. A tensão total de polarização é igual à tensão da bateria de polarização mais a tensão do sinal aplicado. A polarização direta ocorre quando a bateria se liga através do diodo semicondutor, de maneira a provocar grande fluxo de corrente. Invertendo-se a polarização, a bateria (figura 12B) provoca fluxo de corrente tão pequeno que sua quantidade é desprezível. Esse método de ligar o díodo PN denomina-se polarização inversa.

Junção PN, polarização direta

Quando se liga a bateria externa à junção PN, o fluxo de corrente é o indicado na figura 13. Elétrons do material N são repelidos pelo terminal negativo da bateria e se deslocam para a junção. As lacunas no material P são repelidas pelo terminal positivo da bateria e se deslocam para a junção. Em consequência da energia adquirida, provocada pela bateria, muitas das lacunas e elétrons livres podem penetrar na região de esgotamento e se combinarem com seus correspondentes do tipo de material oposto.

Figura 13 — Díodo polarizado diretamente.

Para cada elétron que atravessa a junção e se combina com uma lacuna no material P, um elétron entra no material N proveniente do terminal negativo da bateria. Cada elétron que entra no material N se movimenta para a junção. De maneira semelhante, um elétron de ligação covalente no material P, próximo do terminal positivo da bateria, romperá sua ligação e entrará no terminal positivo da bateria. Para cada elétron que rompe sua ligação, é criada uma lacuna que se movimenta no sentido da junção. A recombinação (preenchimento de lacunas pelos elétrons), na região de esgotamento e suas imediações, continua enquanto estiver ligada a bateria externa.

A corrente no material P é constituída por lacunas. A corrente no material N é constituída por elétrons. Quando se alcança essa condição, diz-se que a junção PN está polarizada no sentido direto. Há fluxo contínuo de corrente de elétrons no circuito externo e, se for aumentada a polarização direta (tensão da bateria), a corrente aumentará.

Normalmente, é utilizada a tensão de 1 a 1,5 volts para polarizar diretamente um díodo de junção PN. Se for aplicada muita polarização direta, haverá fluxo muito grande de corrente. A corrente excessiva causará agitação térmica crescente dos átomos do semicondutor até que a estrutura cristalina do cristal sofra ruptura.

Junção PN, polarização inversa

Polarizando-se inversamente o díodo de junção PN, as lacunas (portadores de corrente majoritários) no material P são atraídas pelo terminal negativo da bateria; movimentam-se, afastando-se da junção (figura 14). Os elétrons (portadores de corrente majoritários) no material N são atraídos pelo terminal positivo da bateria; eles também se movimentam, afastando-se da junção. Como há poucos elétrons ou lacunas que permanecem na junção, quando há algum, ali ocorrem muito poucas recombinações.

Figura 14 — Díodo polarizado inversamente.

A condição de polarização inversa atrai lacunas para longe da junção PN no material P fazendo com que esse lado da região de esgotamento se torne mais negativo. Também os elétrons que deixam a junção no material N provocam uma carga mais positiva da região de esgotamento no material N (figura 15). Como a região de esgotamento aumenta, também aumenta a barreira de potencial até que sua tensão se torne igual à tensão aplicada externamente. O fluxo de corrente é pouco ou nenhum, porque as duas tensões se opõem.

Figura 15 — Efeito da polarização inversa na região de esgotamento.

É possível aplicar tensão de polarização inversa maior do que a barreira de potencial; contudo, a estrutura cristalina sofrerá ruptura. Se não for danificada, a estrutura do cristal retornará ao normal quando for removida a polarização inversa excessiva. Na realidade, alguns díodos são construídos para essa região de ruptura.

Curva característica do díodo

A figura 16 é a curva de corrente em função da tensão aplicada de um díodo semicondutor PN. Observe-se que a corrente, na condição de polarização direta, é elevada (medida em miliampères). Contudo, a corrente com polarização inversa, embora baixa, (medida em microampères) não é zero.

Figura 16 — Fluxo de corrente em díodo semicondutor PN.

Se a polarização inversa for suficientemente elevada, a barreira da junção é rompida e a corrente inversa sobe a um valor elevado denominado corrente de avalancha. Observe-se que a corrente de avalancha pode variar de valor numa faixa bastante ampla, conforme se indica entre os pontos 1 e 2, sem qualquer variação de tensão. Esse fenômeno é denominado "efeito Zener" e tem aplicação na regulação de tensão.

Transístores

Generalidades

Basicamente, um transístor é constituído pela combinação de dois díodos de junção PN (figura 17). Uma junção PN é polarizada diretamente e a outra inversamente.

Figura 17 — Duas seções díodo de um transístor.

Quando unimos os dois díodos de junção PN, podemos uni-los pela superfície do material P para produzir o transístor NPN (figura 18A). Podemos também uni-los na superfície do material N, produzindo o transístor PNP (figura 18B).

Figura 18 — Métodos de polarização para transístores NPN e PNP.

Uma vez formado o transístor, suas diferentes seções são identificadas pelos termos: emissor, base e coletor.

Emissor, base e coletor

a. Emissor. A função da seção emissora do transístor é emitir elétrons (portadores de corrente majoritários) no transístor NPN, ou lacunas (portadores de corrente majoritários) no transístor PNP. Quando os elétrons ou lacunas deixam o emissor, são forçados, através da seção de base, no sentido do coletor.

b. Base. Uma característica física importante da base é sua espessura extremamente pequena em comparação com o coletor e emissor. Tem a espessura máxima de 1/1.000 de polegada (figura 19). A base tem duas junções: a junção emissor-base e a junção base-coletor.

Figura 19 — Construção do transístor.

c. Coletor. Dependendo do tipo de transístor, a função do coletor é receber os elétrons ou as lacunas da seção emissora.

Transístor NPN

Conforme indica a figura 20, a junção emissor-base do transístor NPN deve ser polarizada diretamente. Os elétrons são os portadores majoritários de corrente, e a corrente passa do emissor para a base. Os elétrons que entram na área da base são solicitados por duas forças de atração. Uma delas é o terminal positivo da bateria emissor-base; e a outra é o terminal positivo da bateria base-coletor.

Figura 20 — Movimento de cargas no transístor NPN.

A bateria emissor-base é denominada bateria de polarização e tem tensão muito baixa, por exemplo, 0,1 volt. A bateria base-coletor é denominada bateria de coletor e fornece valor mais elevado de tensão que a bateria de polarização, por exemplo, 6 volts.

Os elétrons entram na base deslocando-se em alta velocidade. Aproximadamente 97% deles são atraídos pela tensão de valor mais elevado da bateria do coletor e atravessam a base no sentido do coletor. Como o cristal da base é extremamente delgado, os elétrons que saem do emissor têm facilidade de passar, através dele, para o coletor. Alguns dos elétrons, contudo, não penetram na base e são atraídos para o terminal positivo da bateria de polarização. Esses poucos elétrons fornecem uma corrente de base muito pequena.

Os elétrons que passam através do coletor e entram na bateria do coletor produzem a corrente do coletor. Cada elétron que deixa o coletor tem que ser substituído por um elétron do emissor, e cada elétron que deixa o emissor tem que ser substituído por um elétron da bateria de polarização. Isso na realidade, produz fluxo contínuo de corrente.

A esta altura, pode surgir a indagação de por que precisamos duas baterias e duas junções PN, quando parece que uma bateria e uma junção PN também produzirão uma corrente contínua. O importante a recordar sobre transístores NPN e PNP é que a bateria de polarização controla a quantidade de corrente do coletor. Se aumentarmos a tensão da bateria de polarização, de pequeno valor, mais elétrons deixarão o emissor e produzirão uma corrente de coletor maior. A bateria de polarização pode ser substituída por uma rede divisora de tensão ou por uma tensão de sinal. A tensão de sinal controla o funcionamento da junção emissor-base polarizada diretamente e produz sinal amplificado no circuito do coletor.

Transístor PNP

No transístor PNP, o emissor e o coletor são materiais do tipo-P e a base é material do tipo-N. Durante o funcionamento, a junção emissor-base é polarizada diretamente (figura 21), e a junção base-coletor é polarizada inversamente (de forma semelhante ao transístor NPN). O emissor é ligado no lado positivo da bateria de polarização, e o coletor é ligado ao lado negativo da bateria de coletor.

Figura 21 — Movimento de cargas no transístor PNP.

Os portadores de corrente majoritários no transístor PNP são lacunas. Os elétrons passam do circuito externo para o coletor e, daí, para o emissor (desprezando-se a pequena corrente de base).

A polarização direta na junção emissor-base faz com que as lacunas sejam aceleradas para a base. A maioria das lacunas penetra na delgada base de cristal e entra no coletor. As lacunas que chegam ao coletor são preenchidas por elétrons provenientes do terminal negativo da bateria de coletor. Esses elétrons se deslocam através da delgada base de cristal em direção do emissor. Além disso, uns poucos elétrons entram na base, provenientes da bateria de polarização, e combinam-se com as lacunas que não penetram em direção ao coletor.

Todos os elétrons que chegam ao emissor são atraídos para o terminal positivo da bateria de polarização. Cada elétron, que passa do emissor para a bateria de polarização, deixa uma lacuna em seu lugar. As lacunas movimentam-se então através da base, em direção ao coletor, onde se recombinam com elétrons que entram no coletor. Como no transístor NPN, podemos aplicar uma pequena tensão de sinal em lugar da bateria de polarização, a fim de produzir sinal amplificado na saída do coletor.

Comparação do funcionamento dos transístores NPN e PNP

O funcionamento do transístor NPN depende do fluxo de elétrons através do material cristalino e, daí, através do circuito externo, para fora do material cristalino. Os elétrons entram no emissor, são forçados em direção à base e entram no coletor. Uns poucos elétrons não conseguem atravessar e deixam o transístor como pequena corrente de base. A maioria dos elétrons deixa o coletor como corrente de coletor, a fim de executar função amplificadora no circuito externo (figura 22A).

Figura 22 — Fluxo de elétrons NPN - PNP.

O transístor PNP também depende de elétrons que passam através do material semicondutor e do circuito externo. Como as seções cristalinas do transístor são invertidas, o fluxo de elétrons é provocado pelo movimento de lacunas, que também é invertido (figura 22B). Os elétrons entram no coletor, passam através do transístor e deixam o emissor para desempenhar função amplificadora no circuito externo.

Bibliografia: Semiconductor theory and circuits, United States Department of the Army