Transistores MOSFET e o efeito liga-desliga: a base de funcionamento dos computadores.

Os processadores de computador utilizam o efeito liga-desliga dos transistores MOSFET para funcionar e realizar o processamento de dados. A tecnologia é a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semicondutor – Semicondutor de Metal-Óxido Complementar). O material utilizado é normalmente o silício (Si). O silício é semicondutor de eletricidade porque permite, através de tratamentos químicos, que a energia elétrica seja conduzida em umas partes do silício e não seja conduzida em outras partes do mesmo silício. O mesmo silício é condutor e não condutor de eletricidade. Os transistores são os MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - Transistor de Efeito de Campo de Semicondutor de Óxido Metálico). O nome metal se refere aos primeiros chips que utilizavam portas de metal. Os chips modernos usam portas de polisilício, mas continuam sendo chamados de MOSFET. Veja abaixo um esquema de um transistor MOSFET:

Transistor MOSFET em 2D.

Existem três partes:

Source (Fonte) – Por onde entra a corrente elétrica, corrente essa que será ligada ou desligada.

Gate (Porta) – Onde entra a tensão que controla o fluxo ou corte de corrente elétrica.

Drain (Dreno) – Por onde sai a corrente elétrica que veio de Source, quando a corrente não é cortada pela tensão de Gate.

Além disso, os transistores MOSFET possuem uma camada isolante de dióxido de silício (SIO2), que isola as portas do transistor do canal de condução de corrente elétrica, e de substratos de silício tipo P e silício tipo N. Se o canal for feito de silício tipo N e o substrato de silício tipo P trata-se de um transistor tipo N (NMOSFET), se for ao contrário trata-se de um transistor tipo P (PMOSFET). Veja abaixo:

Estrutura de um E-MOSFET de canal N.

MOSFET tipo Depleção:

Quando há uma tensão de porta negativa a tensão VDD força os elétrons que estão livres a fluírem da fonte para o dreno. A tensão da porta controla a largura do canal de corrente elétrica. Quanto mais negativa a tensão menor a largura do canal e conseqüentemente menos corrente elétrica passa da fonte para o dreno. Se a tensão negativa porta-fonte (Vgs) exceder um limite o canal é fechado e a corrente elétrica é cortada. A operação do MOSFET no modo Depleção se dá quando Vgs está entre Vgs-off (canal fechado) e 0 volt (canal conduzindo corrente elétrica). Abaixo símbolo e esquema do MOSFET tipo Depleção (D-MOSFET):

Símbolo de um D-MOSFET.

Esquema de um D-MOSFET.

MOSFET tipo Intensificação:

Nos transistores MOSFET tipo intensificação (E-MOSFET) o substrato se estende até o dióxido de silício. Essa é a diferença para os D-MOSFET. Veja abaixo o esquema e o símbolo dos E-MOSFET:

Símbolo e Esquema de um E-MOSFET.

O E-MOSFET possui uma tensão positiva mínima para a criação de um canal de corrente elétrica entre o substrato e o dióxido de silício, permitindo o fluxo de elétrons livres entre a fonte e o dreno (corrente de dreno). Essa tensão é chamada de tensão limiar.

Acima de um limite de tensão negativa ou positiva o transistor é danificado, pois a camada isolante de dióxido de silício, que é muito fina, é destruída pela tensão muito alta.

Veja abaixo a curva de dreno dos E-MOSFET:

Curva de dreno dos E-MOSFET.

Enquanto Vgs (tensão porta-fonte) não atinge Vgs (th) (tensão limiar), não há corrente de dreno. Há um limite de saturação para Vgs, a partir do qual a corrente de dreno não aumenta mais.

Os gráficos abaixo resumem o funcionamento dos D-MOSFET e E-MOSFET:

Resumo de funcionamento dos D-MOSFET e E-MOSFET.

Portanto podemos construir circuitos lógicos eletrônicos (processadores) utilizando transistores tipo P (D-MOSFET e E-MOSFET) ou N (D-MOSFET e E-MOSFET). Por exemplo, podemos construir três tipos de porta Not (Inversora) com os transistores MOSFET:

Porta NOT tipo NMOS.

Porta NOT tipo PMOS.

Porta NOT tipo CMOS.

Há o Resistor-Transistor Logic (RTL) e o Transistor-Transistor Logic (TTL).

Lembrando que a porta Not inverte o sinal de entrada: se for 1 sai 0; se for 0 sai 1.

Vamos entender o funcionamento:

A terceira porta Not (tipo TTL) tem dois transistores, uma entrada A, uma saída Q, uma tensão VSS e uma tensão VDD. Adotaremos como exemplo VSS = 0 volt (significando 0) e VDD = 5 volts (significando 1). Se precisar revise o sistema binário dos computadores. O transistor MOSFET com a bolinha opera em modo de Depleção e o transistor MOSFET sem bolinha opera em modo de Intensificação.

Se a entrada for igual a 0 volt a saída é igual a 5 volts; isso porque 0 volt faz com que o D-MOSFET (o da bolinha) conduza corrente elétrica (5 volts) de VDD até a saída Q, e o E-MOSFET (sem bolinha), por sua vez, quando recebe 0 volt não conduz 0 volt (terra) até a saída Q.

Se a entrada for igual a 5 volts a saída é igual a 0 volt; isso porque 5 volts fazem com que o D-MOSFET (o da bolinha) não conduza corrente elétrica (5 volts) de VDD até a saída Q, e o E-MOSFET (sem bolinha), por sua vez, quando recebe 5 volts conduz 0 volt (terra) até a saída Q.

As outras duas portas Not das figuras (tipo RTL) funcionam de maneira semelhante, mas possuem um resistor para funcionarem com apenas um transistor. A porta Not com dois transistores tem melhor desempenho, pois gasta menos energia e tem maior velocidade de processamento.

Veja abaixo o símbolo de uma porta lógica Not e o esquema de um pequeno chip com portas Not:

Símbolo da porta NOT (Inversora).

Segundo exemplo: podemos construir uma porta lógica do tipo OR com transistores MOSFET, tipo N ou tipo P, arranjados na forma CMOS. Veja a figura:

Porta OR tipo CMOS.

A porta lógica OR (OU) tem duas entradas A e B, uma saída Q, uma tensão VSS e uma tensão VDD. Como exemplo vamos utilizar VSS = 0 volt (significando 0) e VDD = 5 volts (significando 1).

Vejamos qual sinal (0 ou 1) deve ser obtido na saída Q, dependendo de quais sinais estão entrando nas entradas A e B:

ENTRADA		SAÍDA
A	B	Q
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Portanto a saída Q só é igual a 0 se ambas as entradas A e B forem iguais a zero.

Vamos entender o funcionamento:

Os transistores 3, 4 e 6 operam em modo Intensificação.

Os transistores 1, 2 e 5 operam em modo Depleção.

Se A = 0 e B = 0 então:

Os transistores 1 e 2 (Depleção) conduzem corrente elétrica de VDD (5 volts) até as portas dos transistores 5 e 6. Os transistores 3 e 4 (Intensificação) não conduzem corrente elétrica de VSS (0 volt) até as portas dos transistores 5 e 6. Portanto a tensão VDD (5 volts) chega nas portas dos transistores 5 e 6. O transistor 5 (Depleção) não conduz corrente elétrica de VDD (5 volts) para a saída Q. E em fim o transistor 6 (Intensificação) conduz a tensão VSS (0 volt) até a saída Q. Portanto se A = 0 e B = 0 => Q = 0.

Se A = 0 e B = 1 então:

O transistor 1 (Depleção) conduz corrente elétrica de VDD (5 volts), mas o transistor 2 (Depleção) recebe o sinal 1 da entrada B e não conduz corrente elétrica. Portanto, os transistores 1 e 2 não conduzem corrente elétrica de VDD (5 volts) até as portas dos transistores 5 e 6. O transistor 3 também não conduz corrente. Porém o transistor 4 (Intensificação) que recebe o sinal 1 da entrada B conduz a tensão VSS (0 volt) até as portas dos transistores 5 e 6. O transistor 5 (Depleção) quando recebe VSS (0 volt) conduz corrente elétrica de VDD (5 volts) até a saída Q. O transistor 6 (Intensificação) quando recebe a tensão VSS (0 volt) não conduz VSS (0 volt) até a saída Q. Portanto se A = 0 e B = 1 => Q = 1.

Se A = 1 e B = 0 então:

O transistor 2 (Depleção) está apto a conduzir corrente elétrica, mas o transistor 1 (Depleção) não conduz corrente porque está recebendo o sinal 1 da entrada A. Com isso os transistores 1 e 2 não conduzem corrente elétrica de VDD (5 volts) até as portas dos transistores 5 e 6. O transistor 4 (Intensificação) não conduz corrente, mas o transistor 3 (Intensificação) que recebe o sinal 1 da entrada A conduz corrente 0A de VSS (0 volt) até as portas dos transistores 5 e 6. Com isso o transistor 5 (Depleção) conduz corrente elétrica de VDD (5 volts) para a saída Q. Por último o transistor 6 (Intensificação) não conduz VSS (0 volt) para a saída Q. Portanto se A = 1 e B = 0 => Q = 1.

Se A = 1 e B = 1 então:

Os transistores 1 e 2 (Depleção) não conduzem a tensão VDD (5 volts) até as portas dos transistores 5 e 6, porém os transistores 3 e 4 (Intensificação) conduzem VSS (0 volt) até as portas dos transistores 5 e 6. Com isso o transistor 5 (Depleção) conduz corrente elétrica de VDD (5 volts) para a saída Q. O transistor 6 (Intensificação) não conduz VSS (0 volt) para a saída Q. Portanto se A = 1 e B = 1 => Q = 1.

Veja abaixo o esquema de um pequeno circuito que utiliza portas lógicas Or.

As portas lógicas descritas acima implementam as funções booleanas NOT e OR. Existem outras diversas funções booleanas como por exemplo AND, NAND, NOR, XOR, XNOR etc. Existem portas lógicas que implementam todas as funções booleanas, uma porta para cada função, e com isso nós podemos combiná-las para fazer circuitos complexos como somadores, subtratores, multiplicadores, divisores, memórias com flip-flops, controladores de memória, micro-controladores, comparadores, deslocadores à esquerda e à direita, contadores, incrementador, decrementador, unidades que executam instruções etc. Em fim, podemos construir processadores super complexos inteiros com milhões de portas lógicas super integradas em escala muito pequena em uma placa de silício de 1 cm².

Endereçamento de memória

Cada célula capacitiva da memória RAM do computador possui um endereço para que possa ser acessada pelo controlador de memória e pelo processador. Esse endereço que é representado na base hexadecimal nos sistemas operacionais é obviamente representado em base binária no hardware. Números hexadecimais são utilizados para que seja possível a representação de números grandes com menos dígitos, ocupando menos memória.

A abreviação RAM significa memória de acesso randômico, ou seja, a gente pode acessar qualquer parte da memória diretamente a qualquer momento, por exemplo, podemos acessar o bit 0 e imediatamente em seguida o bit 10.000.000.000 sem precisar aguardar muito tempo. Em um disco rígido não há essa facilidade pois o local do bit determina o tempo de espera para a sua leitura.

A memória RAM dos computadores possui um decodificador de endereços físicos que consegue acessar os bits corretos para que o conteúdo seja disponibilizado ao processador.

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Veja o esquema de um circuito que controla o bloqueio ou a passagem de um sinal para a saída:

Controlador de passagem de sinal.

A porta "s~0 é do tipo AND, ou seja, a saída só é igual a "1" se as duas entradas também forem iguais a "1". Portanto, no circuito mostrado acima o sinal da entrada "e1" só passa para a saída "s" se o sinal da entrada "sel" (seleção) for igual a "1". Veja a tabela verdade da porta AND:

AND:

0 AND 0 = 0

0 AND 1 = 0

1 AND 0 = 0

1 AND 1 = 1

*A saída da porta AND só é igual a 1 se as duas entradas forem iguais a 1.

Já o outro circuito esquematizado abaixo pode ser usado tanto para gravarmos dados na memória quanto para lermos. O circuito recebe como entrada um vetor de 3 bits (A, B, C) que contem o endereço da memória que deve ser lido ou gravado. A saída é formada por 8 bits que apontam cada um para seu respectivo bit na memória. Como são 3 bits de endereço então podem ser endereçados 8 bits de memória RAM. Só uma saída (um bit de memória) é ativada por vez. Na realidade são endereçados bilhões de bits. Vejamos um esquema detalhado de um decodificador 3x8:

Esquema detalhado de um decodificador 3x8.

As linhas coloridas ajudam a entender a lógica do circuito. Observando que os triângulos marrons são portas lógicas inversoras de sinal e os traços em cima das letras também significam inversão de sinal. As portas azuis são portas tipo AND de três entradas cada uma. Os círculos representam conexões do circuito. Vejamos exemplos:

Se o endereço do bit for "000" somente a primeira porta AND (a de cima) vai conseguir emitir um sinal 1 e ativar o bit de número 0 (o de cima). Isso porque todos os sinais que entram na primeira porta AND (a de cima) são invertidos e se tornam "111". Essa sequência "111" de bits produz a saída 1 na primeira porta AND. Todas as outras portas AND não recebem a sequência "111" e com isso emitem a saída 0 (*).

Se o endereço do bit for "001" somente a segunda porta AND (de cima para baixo) vai conseguir emitir um sinal 1 e ativar o bit de número 1 (o segundo de cima para baixo). Isso porque os bits A e B são invertidos transformando a sequência "001" em "111". Essa sequência "111" só entra na segunda porta AND (de cima para baixo, produzindo o sinal 1 em sua saída. Todas as outras portas AND não recebem a sequência "111" e com isso emitem a saída 0 (*). As tabelas verdade são as seguintes:

Expressões booleanas de um decodificador 3x8.

Observe na tabela abaixo que somente uma saída é ativada para cada endereço de bit.

Tabela verdade de um decodificador 3x8.

Se um controlador de passagem de sinal for colocado em cada saída A0 a An do decodificador 3x8, podemos controlar a saída do bit armazenado na célula de memória RAM (leitura), ou também controlar a chegada de um bit para ser armazenado (gravação). Podemos ter, por exemplo, um decodificador de endereços para leitura de bits e outro para armazenamento. Veja na figura abaixo:

Decodificador 3x8 com circuitos de controle de passagem de sinal.

A entrada "sel" que receber o sinal "1" deixa passar o bit armazenado na sua respectiva célula de memória para a sua respectiva saída "s". As entradas "e1" podem receber o valor das células de memória ou passar o seu valor para elas.


Essa é a representação simples de um decoder 3x8:

Esquema simples de um decodificador 3x8.

Um decodificador de 32 bits por exemplo recebe endereços de 32 bits que podem apontar para 4.294.967.296 bits, o que é igual a 512 megabytes. É um decodificador 32 x 4.294.967.296.