Das bases binárias aos semicondutores: Compreender os elementos constitutivos da eletrônica moderna

Inicialmente, este blog pretendia se concentrar nas comunicações seriais usadas para o IO-Link. Em essência, a comunicação serial envolve a transmissão de dados binários de forma assíncrona (sem relógio) ou síncrona (com relógio). A Figura 1 é uma comparação simplificada da transmissão serial com a transmissão paralela. O objetivo era mostrar as diferenças e semelhanças que o IO-Link compartilha com outras comunicações seriais, como RS-485 ou RS-232. No entanto, antes de mergulhar nas comunicações seriais, é importante primeiro entender os fundamentos dos princípios binários.

No nível mais básico, a comunicação eletrônica depende de uma interface binária que consiste em 0s (desligado) e 1s (ligado). Embora os transistores possam funcionar como amplificadores, para simplificar, vamos considerá-los como interruptores que alternam entre os estados desligado ou ligado.

Na eletrônica, os materiais são classificados nos três grupos a seguir com base em suas propriedades elétricas:

• Condutores Os materiais condutores, como cobre, prata, alumínio e ouro, permitem que a corrente elétrica flua facilmente.

• Isolantes como vidro, plástico e madeira, bloqueiam a corrente elétrica em condições normais.

• Semicondutores, como o silício (Si), o germânio (Ge) e o carbono (C), podem conduzir eletricidade, mas precisam de uma tensão externa para isso.

Nesta discussão, vou me concentrar no grupo dos semicondutores.

A junção PN é formada pela combinação de dois tipos de materiais semicondutores: Tipos N e tipos P. O silício, o semicondutor mais comum, começa em um estado intrínseco, o que significa que não é nem do tipo P nem do tipo N por padrão. As impurezas são adicionadas por meio do processo de "dopagem" para transformar o silício em um tipo P ou tipo N.

Semicondutor do tipo N:

1. O "N" representa cargas negativas (-) ou elétrons.

2. Os elétrons são os portadores majoritários.

3. Os buracos (cargas positivas) são os portadores minoritários.

4. Os semicondutores do tipo N podem doar elétrons.

5. Os elementos comuns usados para dopagem incluem fósforo (P), arsênico (As), antimônio (Sb) e bismuto (Bi).

Semicondutor do tipo P:

1. O "P" representa cargas positivas (+) ou buracos.

2. Os buracos são os portadores majoritários.

3. Os elétrons (cargas negativas) são os portadores minoritários.

4. Os semicondutores do tipo P podem aceitar elétrons.

5. Os elementos comuns usados para dopagem incluem alumínio (Al), gálio, boro e índio (In)

As junções PN são importantes em muitos componentes eletrônicos fundamentais, incluindo diodos, retificadores controlados por silício (SCRs), transistores unijunção programáveis (PUTs) e transistores (tanto de junção bipolar quanto de efeito de campo). Nesta discussão, vou me concentrar nos transistores, os meios básicos para criar e interpretar 0s e 1s.

O processo de dopagem determina se um transistor é do tipo PNP ou NPN. Os transistores de junção bipolar consistem em três conexões: a base (B), o coletor (C) e o emissor (E). A Figura 2 mostra os símbolos eletrônicos dos transistores PNP e NPN.

Os transistores de efeito de campo (FETs) usam uma nomenclatura semelhante, mas têm nomes de terminais diferentes: porta (G), dreno (D) e fonte (S).

A Figura 3 mostra como um transistor NPN opera como uma chave. Quando a base é polarizada para frente - o que significa que uma tensão é aplicada entre a base e o emissor (fechando a chave) -, o transistor liga, permitindo que a corrente flua entre o coletor e o emissor ou da carga para o terra. Esse conceito básico é amplamente aplicado em toda a eletrônica.

Embora a compreensão da composição física dos transistores não seja essencial para entender o conceito de 0s e 1s, ainda assim é bom saber. A principal lição é reconhecer como os transistores funcionam e como os semicondutores impulsionam o avanço da tecnologia digital.

A principal razão pela qual os processadores se tornaram mais rápidos deve-se, em grande parte, ao fato de os fabricantes de semicondutores colocarem bilhões de transistores em um único chip. É difícil até mesmo compreender que um transistor pode ser tão pequeno quanto 10 nanômetros (0,00000001 metros). Embora saber isso não o ajude a decodificar a Matrix, você deve pelo menos entender que o código binário funciona ligando e desligando vários caminhos para chegar ao local ou resultado desejado.