A construção do dispositivo eletrônico discreto (individual) de estado sólido (estrutura de cristal rígido) ou circuito integrado inicia-se com um material semicondutor da mais alta qualidade. Os semicondutores consistem numa classe especial de elementos cuja condutividade está entre a de um bom condutor e a de um isolante. Geralmente, o material semicondutor é classificado como: cristal singular ou composto. Os semicondutores de cristal singular, como o Germânio (Ge) e o Silício (Si), possuem uma estrutura de cristal repetitiva, enquanto os semicondutores compostos, como Arseneto de gálio (GaAs), Sulfeto de cádmio (CdS), Nitreto de gálio (GaN) e o Fosfeto de arseneto de gálio (GaAsP), são compostos por dois ou mais materiais semicondutores de estruturas atômicas diferentes. Os três semicondutores utilizados com mais frequência na construção de dispositivos eletrônicos são Ge, Si e GaAs (BOYLESTAD;
NASHELSKY, 2013, p. 2).
De acordo com Boylestad e Nashelsky (2013, p. 7–8), as características de um material semicondutor podem ser alteradas significativamente por meio da adição de átomos específicos de impureza ao material semicondutor relativamente puro. Essas impurezas, embora apenas adicionadas na proporção de uma parte em 10 milhões (processo de dopagem), são capazes de alterar a estrutura de banda a ponto de modificar completamente as propriedades elétricas do material. Um material semicondutor que tenha sido submetido ao processo de dopagem é deno- minado de material extrínseco. Já o termo intrínseco aplica-se a qualquer material semicondutor que tenha sido refinado com bastante cuidado para reduzir o número de impurezas a um nível
muito baixo — essencialmente, com o grau máximo de pureza disponibilizado pela tecnologia moderna. Existem dois materiais extrínsecos de elevada importância para a fabricação de um dispositivo semicondutor: os materiais do tipo n e os do tipo p. Ambos os materiais do tipo n e do tipo p são formados pela adição de um número predeterminado de átomos de impureza a uma base de Silício. Um material do tipo n é criado por meio da introdução de elementos de impureza que têm cinco elétrons de valência (pentavalentes), como por exemplo: o Antimônio, o Arsênio e o Fósforo. Cada um deles faz parte de um subgrupo de elementos na Tabela Periódica dos Elementos denominado de Grupo V, porque cada um tem cinco elétrons de valência. Já o material do tipo p é formado pela dopagem de um cristal puro de Germânio ou Silício com átomos de impureza que possuem três elétrons de valência. Os elementos mais comumente utilizados para esse fim são: o Boro, o Gálio e o Índio. Cada um deles faz parte de um subgrupo dos elementos na Tabela Periódica dos Elementos chamado de Grupo III, por terem, cada um, três elétrons de valência.
O transistor é um dispositivo semicondutor constituído de três camadas, sendo que duas delas podem ser do material do tipo n e uma do tipo p ou duas do tipo p e uma do tipo n. O primeiro é denominado transistor npn e o outro, pnp. Esse dispositivo possui três terminais, que são denominados de base (B), coletor (C) e emissor (E). A camada do emissor é fortemente dopada, enquanto a base e o coletor possuem uma leve dopagem. As camadas externas possuem larguras muito maiores do que as internas de material do tipo p ou n. Na Figura 8 são apresentados os dois tipos de transistor com a polarização em corrente contínua apropriada (BOYLESTAD;
NASHELSKY, 2013, p. 116).
Figura 8 – Tipos de transistor: a) pnp; b) npn.
Fonte: (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 116).
Para os transistores mostrados na Figura 8, a razão entre a largura total e a largura da camada central é de 0,150/0,001 = 150:1. A dopagem da camada interna também é menor do que a das externas (geralmente na razão de 1:10 ou menos). Essa proporção de dopagem menor gera uma redução na condutividade (aumenta a resistência) desse material, fazendo com que o número de portadores "livres"(elétrons livres) seja limitado. Além disso, mostram-se também as operações básicas dos transistores pnp e do npn, respectivamente (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 116).
O transistor pode ser configurado de várias formas, dependendo da sua aplicação e classificado em vários tipos, como por exemplo: Field Effect Transistor(FET), Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(MOSFET), o Transistor Bipolar de Junção (TBJ) e o Transistor Darlington, que é o tipo do TIP 122 utilizado neste projeto.
Como a corrente máxima de saída de um pino digital de controle PWM da plataforma Arduino Nano é de 40 mA, para que o transistor seja saturado e realize o chaveamento eletrônico da tensão que chega na lâmpada halógena do sistema, necessita-se de um transistor que seja saturado por uma corrente de base de até 40 mA. Por isso, utilizou-se o Transistor Darlington
TIP 122 do tipo npn, que de acordo com Fariaset al.(2016), é um dispositivo semicondutor também denominado de transistor de potência, pelo fato de ser a combinação de dois transistores bipolares em um único encapsulamento, no qual um dá o ganho de corrente e o outro aumenta o ganho de tensão. Na Figura 9 é apresentado o modelo do Transistor Darlington.
Figura 9 – Modelo do Transistor Darlington.
Fonte: (SANTOS, 2008).
Segundo Cavalcanti (2018), o transistor equivalente possui como ganho de corrente o produto entre o ganho dos dois transistores. Ele pode ser utilizado em fontes de alimentação e em qualquer aplicação que necessite do fornecimento de correntes elevadas.
De acordo com Alldatasheet (1997), as especifiçações do TIP 122, na temperatura de 25oC são:
a) potência de 65 W;
b) corrente de saturação da base de 12 mA e de 20 mA, que geram correntes de coletor de 3 A e 5 A, respectivamente;
c) corrente máxima de coletor de 5 A;
d) ganho mínimo de corrente (β) de 1000 quando a tensão do coletor-emissor for de 3 V e a corrente do coletor for de 0,5 A ou 3 A.
Na Figura 10 é exibido o transistor TIP 122, com encapsulamento TO-220, em que o ter- minal da base é indicado por B (1), o coletor por C (2) e o emissor por E (3) (ALLDATASHEET, 1997).
Figura 10 – Modelo do Transistor Darlington TIP 122.
Fonte: (ALLDATASHEET, 1997).
Uma das aplicações do transistor, inclusive utilizada aqui nesse trabalho, é no circuito de chaveamento de uma lâmpada. Na Figura 11 é apresentado o transistor funcionando como uma chave que controla os estados ligado (Von) e desligado (Vof f) da lâmpada no ramo coletor do circuito. Para isso, o transistor opera por meio do regime de corte e saturação. Quando a chave está na posição ligada (regime de saturação), ocorre uma polarização fixa em que a tensão base-emissor apresenta o valor de 0,7 V e a corrente da base é controlada pelo resistor R1 e pela impedância de entrada do transistor. Com isso, pode-se dizer que a corrente que passa na lâmpada será, beta vezes a corrente da base e ela se acenderá (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p.
200). Já quando a chave está na posição desligada, a entrada do transistor é aterrada (a tensão do emissor é menor que a tensão base-emissor), gerando o corte do transistor, e consequentemente, apagando a lâmpada (MARQUES, 2012, p. 68) (adaptado).
Figura 11 – Circuito de um transistor utilizado como chave para controlar os estados ligado e desligado de uma lâmpada.
Fonte: (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 200).