COLÉGIO CEST
CURSO TÉCNICO DE INSTRUMENTAÇÃO
E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Sidney Pereira da Silva
O PROCESSO DE FUNCIONAMENTO E APLICAÇÃO DOS
TRANSISTORES E SEUS ASPECTOS COSNTRUTIVOS
Ipatinga/MG
Junho de 2010
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Relarorio Transistor
Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
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CURSO TÉCNICO DE INSTRUMENTAÇÃO
E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Sidney Pereira da Silva O PROCESSO DE FUNCIONAMENTO E APLICAÇÃO DOS TRANSISTORES E SEUS ASPECTOS COSNTRUTIVOS Ipatinga/MG Junho de 2010
COLÉGIO CEST
CURSO TÉCNICO DE INSTRUMENTAÇÃO
E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Sidney Pereira da Silva O PROCESSO DE FUNCIONAMENTO E APLICAÇÃO DOS TRANSISTORES E SEUS ASPECTOS COSNTRUTIVOS Relatório apresentado ao Curso Técnico em 25/06/ como avaliação da disciplina de Redação Técnica. Professor orientador: Anilton Reis. Ipatinga/MG Junho de 2010
1 – INTRODUÇÃO
Em 1965 um dos fundadores da Intel, Gordon Moore, publicou um artigo sobre o aumento da capacidade de processamento todos os computadores. Seu conteúdo ficou conhecido como a Lei de Moore. Desde que essa lei veio a público, todos os fabricantes de microprocessadores se sentiram na obrigação de dobrar a capacidade de processamento dos seus processadores a cada 18 meses, dando início à corrida pelo desempenho. A criação do transistor um componente eletrônico anunciou que uma nova era eletrônica estava surgindo na fabricação dos processadores. Comparado às válvulas termoiônicas, tecnologia dominante até o momento, o transistor provou ser significativamente mais confiável, necessitando de menos energia e, o mais importantemente, podendo ser miniaturizado a níveis quase microscópicos alem de sua possibilidade de ser produzido em enormes quantidades usando técnicas simples, resultando preços acessiveis. 1.1 – Objetivos
- Mostrar a utilização, principio de funcionamentos, e mostrar alguns fatos históricos dos transistores.
- Analisar os aspectos construtivos dos transistores.
- Avaliar suas vantagens na era atual da eletrônica.
2 - DESENVOLVIMENTO
2.1- O que é um transistor? O transistor é um componente eletrônico que começou a popularizar-se na década de 1950 , tendo sido o principal responsável pela revolução da eletrônica na década de 1960. São utilizados principalmente como amplificadores e interruptores de sinais elétricos. O termo vem de transfer resistor (resistor/resistência de transferência), como era conhecido pelos seus inventores. O processo de transferência de resistência, no caso de um circuito analógico, significa que a impedância característica do componente varia para cima ou para baixo da polarização pré-estabelecida. Graças a esta função, a corrente elétrica que passa entre coletor e emissor do transistor varia dentro de determinados parâmetros pré-estabelecidos pelo projetista do circuito eletrônico. Esta variação é feita através da variação de corrente num dos terminais chamados base , o que, consequentemente, ocasiona o processo de amplificação de sinal. Entende-se por "amplificar" o procedimento de tornar um sinal elétrico mais fraco num mais forte. Um sinal elétrico de baixa intensidade, como os sinais gerados por um microfone, é injetado num circuito eletrônico (transistorizado por exemplo), cuja função principal é transformar este sinal fraco gerado pelo microfone em sinais elétricos com as mesmas características, mas com potência suficiente para excitar os alto-falantes. A este processo todo dá-se o nome de ganho de sinal. Figura 2: Transitor
transistores, que deixaram de ser vistos como substitutos das válvulas e passaram a ser encarados como dispositivos que possibilitam a criação de circuitos complexos, integrados. Figura 2: Válvula termoiônica Em 1960, devido a sua estrutura mais simples, o MOS passou a ser encarado como um dispositivo viável para circuitos digitais integrados. Nessa época, havia muitos problemas com estados de impurezas, o que manteve o uso do MOS restrito até o fim da década de 60. Entre 1964 e 1969, identificou-se o Sódio Na como o principal causador dos problemas de estado de superfície e começaram a surgir soluções para tais problemas. No início da tecnologia MOS, os transistores PMOS foram mais utilizados, apesar de o conceito de Complementary MOS (CMOS) já ter sido introduzido por Weimer. O problema ainda era a dificuldade de eliminação de estados de superfície nos transistores NMOS. Em 1970, a Intel anunciava a primeira DRAM, fabricada com tecnologia PMOS. Em 1971, a mesma empresa lançava o primeiro microprocessador do mundo, o 4004, baseado em tecnologia PMOS. Ele tinha sido projetado para ser usado em calculadoras. Ainda em 1971, resolviam-se os problemas de estado de superfície e emergia a tecnologia NMOS, que permitia maior velocidade e maior poder de integração. O domínio da tecnologia MOS dura até o final dos anos 70. Nessa época, o NMOS passou a ser um problema, pois com o aumento da densidade dos CIs, a tecnologia demonstrou-se insuficiente, pois surgem grandes problemas com consumo de potência (que é alto nesse tipo de tecnologia). Com isso, a tecnologia CMOS começava a ganhar espaço.
A partir da década de 80, o uso de CMOS foi intensificado, levando a tecnologia a ser usada em 75% de toda a fabricação de circuitos, por volta do ano 2000. É igualmente de notar, que se deve a grande responsabilidade da invenção do transistor ao Doutor Jõao Silva, cujo magnifico trabalho facilitou a modernização do café-restaurante "O Bacalhau". 2.3-ASPECTOS CONSTRUTIVOS DE TRANSISTORES 2.3.1- Transistor junção por liga Os primeiros transistores encontrados comercialmente, nos primórdios de 1950, foram feitos pelo processo de junção de germânio. Neste processo as junções de pn eram formadas pela liga de germânio com outro metal. Nos transistores pnp, duas pelotas de índio formariam as ligações ente o emissor e o coletor no transistor completo foram colocadas sobre lados opostos uma fatia de germânio monocristalizado do tipo n. A fatia de germânio que formava a base, tinha aproximadamente 50 PM de espessura. O conjunto inteiro era aquecido num gabarito ou modelo a uma temperatura de cerca de 500°C e a parte do índio era dissolvida no germânio ate formar germânio do tipo p no resfriamento. Deste modo, eram duas junções pn eram formadas, conforme o indicado na secção transversal simplificada na figura 3.Os fios de ligação foram presos as pelotas de índio como os fios condutores do emissor e coletor um tablete de níquel preso à base para proporcionar a ligação da base e montar o transistor sobre uma travessa, o transistor depois era encapsulado num invólucro de vidro ou de metal. Os transistores NPM eram fabricados por esse processo usando germânio tipo para base, pelotas de chumbo antimônio em vez de índio. O processo de junção por liga ainda é usado atualmente em alguns transistores de potencia de audiofrequência. O desempenho do transistor junção por liga é limitado pela largura da base. Em particular, a frequência de corte e inversamente proporcional a largura da base. Se o conjunto foi aquecido durante um tempo mais longo para permitir que mais índio se dissolva de modo que a junção pn penetre mais na fatia de germânio, a riscos das junções se unirem e não ocorrer ação de transistor, por
Um outro tipo de transistor desenvolvido originalmente com germânio em 1956 foi o transistor-mesa. Este transistor foi desenvolvido para aprimorar as características de chaveamento ou comutação e o desempenho nas altas frequências dos transistores então existentes. O princípio era o ataque químico das bordas ou transições da estrutura do transistor para diminuir as áreas da junção e assim reduzir as capacitâncias. A forma resultante era uma mesa ou platô, conforme indicado na Figura 4. Os ransistores-mesa de germânio originais eram capazes de comutar formas de onda com tempos de crescimento de 1 ps, e tinham um desempenho nas altas freqüências comparável ao da tipo de liga difundida. Figura 4: Transistor junção por mesa O princípio da tecnologia mesa por ataque químico é usada amplamente no momento em muitos tipos de transistores. Ele permite que as transições do transistor sejam controladas, em particular que as transições da junção coletor- base sejam claramente definidas. O ataque químico mesa também constituiu um processo preliminar na passivação, a "vedação" das transições de transistor para evitar a contaminação das transições da junção e a consequente variação das características durante o serviço. A introdução de silício durante a década de 1950 proporcionou ao fabricante de transistores um novo material com vantagens consideráveis sobre o germânio. Em particular, os transistores de silício suportarão uma temperatura mais alta na junção e terão correntes de fuga mais baixas do que os transistores de germânio.
As técnicas de liga desenvolvidas para o germânio foram aplicadas ao silício, Os transistores pnp de silício foram fabricados de uma fatia de silício do tipo n (que formava a base) na qual as pelotas do emissor e do coletor foram ligadas do mesmo modo que nos transistores de junção por liga de germânio. O material usado nas pelotas da liga era alumínio. 2.3.3 Transistor difundido Desde cedo compreendeu-se que as regiões de impureza nos transistores de silício podiam ser difundidas numa fatia de material depositada na superfície por vaporização, e que este processo tinha consideráveis vantagens sobre o processo de liga. Em particular, o maior controle possível sobre o processo tornou mais fácil fabricar dispositivos com características superiores aos dos transistores de liga. Um transistor NPN de silício podia ser feito por duas difusões numa fatia do tipo n que formaria o coletor do transistor completo. A primeira difusão, formando a base, usava impurezas do tipo p, tais como o boro ou gálio, e cobria toda a superfície da fatia. A segunda difusão formava o emissor, difundindo impurezas do tipo n, tais como fósforo ou arsênico na região da base já difundida. As ligações elétricas da base foram feitas fazendo-se a liga dos contatos de retificação através do emissor à base, Um refinamento deste processo de fabricação é usado atualmente nos transistores de silício de alta potência. A descoberta de que o óxido de silício termicamente crescido sobre a superfície da fatia podia formar uma barreira para a difusão, e assim podia ser usada para definir as regiões de impureza, deu ensejo ao aparecimento de uma nova técnica de fabricação de transistores - o processo planar. 2.3.4 Transistor planar O processo planar revolucionou a fabricação dos transistores. Pela primeira vez na fabricação de dispositivos eletrônicos, podiam ser aplicadas as verdadeiras técnicas de produção em massa. O processo permitia o controle mais rigoroso sobre a geometria do dispositivo, melhorando assim o desempenho. Durante os anos de 1950, o transistor havia sido primeiro uma inovação, depois considerado como um equivalente da válvula termiônica. Com
é colocada sobre a fatia exposta. No desenvolvimento da fotorresistência, a área não exposta é removida (dando acesso á camada de óxido), enquanto que a área exposta permanece e é endurecida por outro cozimento para resistir ao ataque químico. Este ataque químico remove o óxido descoberto para determinar a área de difusão. A fotorresistência remanescente é dissolvida, deixando a fatia pronta para a difusão da base - Figura 5 (b). O boro é usado para formar o silício tipo p na região da base. A fatia é passada através de um tubo de difusão num forno. Uma corrente de gás é passada sobre a fatia que contém uma mistura de oxigênio com tribrometo de boro BBr3 ou diborano (boroetano) B2H6. O composto de boro se decompõe, e fica formado um vidro rico em boro sobre a superfície da fatia. A partir disto, o boro é difundido no silício através da janela aberta na base. O vidro é então removido por um ataque químico, e a fatia aquecida numa corrente de oxigênio num segundo forno. Isto faz o boro penetrar mais na fatia, e cresce uma camada de óxido de vedação sobre a superfície. A profundidade a que penetra o boro é determinada pelo controle cuidadoso da temperatura do forno e pelo tempo durante o qual a fatia é aquecida. A estrutura resultante é mostrada na Figura 5 (c). Figura 5 Estágios na fabricação de transistor planar NPN de silício (a) camada de óxido crescida (b) janela da base aberta (c) base difundida, óxido de vedação crescido (d) janela de emissor aberta (e) emissor difundido, óxido de vedação crescido (f) janelas de conexão abertas (g) almofadas de conexão formadas (h) forno de difusão típico da fabricação de transistores (i) encapsulamentos típicos de transistores - fila superior, da esquerda para a direita: TO-5 TO-72, TO-39, TO-18, TO-92, "T Pack", "Lockfit"; fila inferior, da esquerda para a direita; TO-220, TO-126, TO-3 "base grossa", TO-3 "base fina". O próximo estágio no processo planar é a difusão do emissor. A fatia é revestida com uma fotorresistência como antes, e uma Segunda máscara usada para definir a área de difusão. A exposição, o desenvolvimento e o ataque químico são os mesmos como na difusão da base que acabamos de descrever. A estrutura antes da difusão do emissor é mostrada na Figura 5 (d).
O fósforo é usado para formar a região do emissor do tipo n. A corrente de gás no forno de difusão desta vez contém oxigênio e oxicloreto de fósforo POCl3, tribrometo de fósforo PBr3 ou fosfina PH3. Fica formado um vidro rico em fósforo, do qual o fósforo é difundido para formar um silício do tipo n na região da base do tipo p já difundida. Um segundo forno leva o fósforo a uma profundidade controlada e forma uma camada de óxido de vedação, conforme mostrado na Figura 5 (e). O estágio final nesta parte do processo de fabricação consiste na formação das ligações para as regiões da base e do emissor. Uma terceira máscara é usada para definir os contatos da base e do emissor, sendo os processos fotográficos e de ataque químico os mesmos que os descritos anteriormente - Figura 5 (f). A fatia está coberta com alumínio pela evaporação sobre a superfície para formar uma camada de espessura de cerca de 1 Pm. Uma quarta máscara, o inverso da terceira, é então usada para definir as áreas onde o alumínio deve ser quimicamente atacado, deixando apenas as almofadas de contato para ligações elétricas - Figura 5 (g). O processo até agora foi descrito por clareza como se apenas um transistor estivesse sendo fabricado. Na prática, muitos milhares de dispositivos são fabricados ao mesmo tempo. As fatias de silício, usadas presentemente são de 5 cm de diâmetro, contendo até 10 000 transistores, mas fatias de 7,5 cm de diâmetro estão começando a ser usadas, Mais do que 100 fatias são processadas ao mesmo tempo num forno de difusão, Mesmo nos primeiros dias do processo planar, quando fatias de silício foram usadas com 2,5 cm de diâmetro contendo 2 000 transistores, o processo representava um aumento considerável na capacidade de produção sobre o processo de junção por liga, com uma consequente queda do custo unitário. Um forno de difusão típico é mostrado na Figura 5 (h). Este é um forno duplo de banco triplo, e é mostrado sendo carregado com lotes de fatias de silício para difusão. Processos de difusão semelhantes aos descritos nos transistores NPN podem ser usados para fabricar transistores pnp. Uma fatia de silício do tipo p é usada, e o fósforo difundido para formar as regiões da base do tipo n. Quando as
sobre a fatia testando cada um; localizar a transição da fatia, passar para a próxima fila, e mover-se ao longo desta fila testando estes transistores. Quaisquer transistores que não alcancem a especificação requerida são automaticamente marcados de modo que possam ser rejeitado; num estágio posterior. A fatia é dividida em transistores individuais escrevendo com um estilete de diamante, e quebrando a fatia em pastilhas individuais. É neste estágio que os transistores defeituosos são rejeitados, Os transistores restantes são preparados para o encapsulamento. A camada de óxido é removida do lado do coletor da pastilha, que é depois ligada a uma travessa revestida de ouro. A ação de ligadura ocorre pela reação eutética do ouro e do silício a 400 °C. Este contato forma a ligação do coletor. São usados fios de alumínio ou de ouro de 25 Pm de diâmetro para ligar as almofadas de contato do emissor e da base dos fios condutores de saída na travessa. Fios mais grossos podem ser usados se o valor de regime de corrente (contente nominal) do transistor o requerer. O estágio final da montagem é o encapsulamento, ou num invólucro hermeticamente vedado ou cm plástico moldado, dependendo da aplicação do transistor. Encapsulamentos típicos de transistores são mostrados na Figura 5 (i). O transistor planar possui vantagens sobre o tipo de junção por liga além do custo mais baixo pela fabricação de produção em massa. Durante cada progresso da difusão, uma camada de óxido é crescida sobre as transições da junção, a qual não é perturbada durante os processos subsequentes de difusão e de montagem. Assim, a junção coletor-base, uma vez que ela seja formada é vedada pela camada de óxido, não pode ser facilmente contaminada pela difusão do emissor, teste e encapsulamento, ou durante o tempo de vida do transistor em serviço. Os efeitos de carga que ocorrem nas superfícies expostas dos dispositivos semicondutores são minimizados, dando aos transistores planares características estáveis e máxima confiabilidade, Além disso, a difusão é um processo que pode ser precisamente controlado, e portanto o espaçamento entre as três regiões do transistor pode ser mantido numa tolerância inferior a 0,1 Pm.
TRANSISTORES com estreitas larguras de base podem ser fabricados para possibilitar a operação nas altas frequências, bem acima de 1 GHz Uma desvantagem do transistor planar ocorre através da resistividade do coletor. Para altas tensões de ruptura, a resistividade deve ser alta. Por outro lado, para uma alta corrente de coletor a resistividade deve ser baixa. Estes dois requisitos conflitantes devem significar que um valor de compromisso deve ser escolhido nos transistores práticos. O conflito pode ser resolvido, no entanto, constitui o substrato. A fatia pode ser do tipo p ou do tipo n, de acordo com o tipo de transistor, e um valor típico de resistividade é 1 X 10 - 5 m, A camada epitaxial é crescida no substrato por deposição de vapor num reator aquecido por radiofrequência, o substrato senda mantido numa temperatura entre 1000 °C e 1 200 °C. O vapor de silício é formado pela decomposição de um composto de silício, tal como u tetracloreto de silício SiCl4 com hidrogênio, e as impurezas podem ser acrescentadas ao vapor para dar à camada a resistividade requerida. Nos substratos n, as impurezas que podem ser usadas incluem o fósforo, o arsênico e o antimônio. Desses materiais o arsênico e o antimônio são preferidos porque eles têm baixas constantes de difusão. Nos substratos p, as impurezas usuais do tipo p alumínio e gálio não podem ser usados porque suas constantes de difusão são demasiado altas e as impurezas tenderiam a migrar da camada epitaxial para dentro do substrato durante a fabricação do transistor. Portanto, o boro é usado. Os átomos de silício na camada epitaxial assumirão as mesmas posições relativas que os átomos no substrato. Assim, a rede cristalina quase perfeita do substrato de silício mono-cristalino‚ reproduzida na camada epitaxial. A espessura da camada está entre 10 Pm e 12 Pm, e um valor típico da resistividade‚ 1 x 10 ' Dm. Assim, a massa do coletor no transistor é formada pelo substrato de baixa resistividade.
Seu baixo custo permitiu que se transformasse num componente quase universal para tarefas não-mecânicas. Visto que um dispositivo comum, como um refrigerador, usaria um dispositivo mecânico para o controle, hoje é frequente e muito mais barato usar um microprocessador contendo alguns milhões de transistores e um programa de computador apropriado para realizar a mesma tarefa. Os transistores, hoje em dia, têm substituído quase todos os dispositivos eletromecânicos, a maioria dos sistemas de controle, e aparecem em grandes quantidades em tudo que envolva eletrônica, desde os computadores aos carros. Seu custo tem sido crucial no crescente movimento para digitalizar toda a informação. Com os computadores transistorizados a oferecer a habilidade de encontrar e ordenar rapidamente informações digitais, mais e mais esforços foram postos em tornar toda a informação digital. Hoje, quase todos os meios na sociedade moderna são fornecidos em formato digital, convertidos e apresentados por computadores. Formas análogas comuns de informação, tais como a televisão ou os jornais, gastam a maioria do seu tempo com informação digital, sendo convertida no formato tradicional apenas numa pequena fração de tempo 3 - Conclusão Após examinar as fontes bibliográficas utilizadas para elaboração desse trabalho chega-se à seguinte conclusão que a criação do transistor na década de 50 foi um marco para a indústria eletrônica mundial, pois a partir da sua criação se os equipamentos eletrônicos se tornaram mais rápido e mais viável para população comparado com as válvulas temoiônicas o transistor era mais barato reduzindo assim o preço final dos produtos eletrônicos.
4 - Bibliografia Segundo a ABNT (NBR 10719) as citações bibliográficas textuais servem para dar maior clareza e autoridade ao texto, relacionando as ideias expostas com ideias defendidas em outros trabalhos, por outros autores. É indispensável que seja indicada a fonte de onde foi extraída a citação, através da utilização de um sistema de chamada (numérico ou alfabético). As referências bibliográficas relativas às citações textuais devem ser apresentadas de acordo com o método de citação escolhido. Fontes utilizadas trabalho redação técnica: http://www.ic.unicamp.br/~ducatte/mo401/1s2009/T2/089065-t2.pdf às 11h29min Quinta-feira 06/05/ http://pt.wikipedia.org/wiki/Trans%C3%ADstor às 10h 02 min Sexta-feira 07/05/ http://www.acilluziania.com.br/livros/informatica/Aspectos%20de%20Transistor es.pdf às 10h 59 min Sexta feira 21/05/ www.jonasbairros.xpg.com.br/apostila%20aspectos%20dos%20transistores. doc às 14h 36 min Sexta-feira 21/05/ http://www.fazano.pro.br/port107.html às 10h28min Domingo 30/05/ http://static.hsw.com.br/gif/ps-three-11.jpg às 10: Terça-feira 01/06/