Transistor bipolar de juncao (tbj) 2

1

Transistor Bipolar de Junção (TBJ)

2Profa. Regiane Ragi

2

Esta aula baseia-se no livro:

DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES: DIODOS E TRANSISTORES

EDUARDO CESAR ALVES CRUZ, SALOMAO CHOUERI JUNIOR e

ANGELO EDUARDO BATTISTINI MARQUES

3

AmplificaçãoQuando analisamos o funcionamento de um transistor e observamos a variação de corrente ao varrermos uma ampla faixa de tensões de polarização, percebemos que alguns efeitos interessantes acontecem.

VCB

n np

+-+-VBE

iBiE iC

Emissor

Coletor

BaseiB

iC

iE

VCB

VBE

VCE

4

Se aumentarmos a corrente na base iB, aumenta a corrente de coletor iC.

iB iC

VCB

n np

+-+-VBE

iBiE iC

Emissor

Coletor

BaseiB

iC

iE

VCB

VBE

VCE

5

Isto em geral acontece, porque, um aumento na corrente de base leva a um aumento no número de recombinações do dispositivo.

6

De forma contrária, se diminuirmos a corrente de base, também a corrente de coletor irá diminuir.

iB iC

VCB

n np

+-+-VBE

iBiE iC

Emissor

Coletor

BaseiB

iC

iE

VCB

VBE

VCE

7

Claramente se verifica, que a corrente de base age como um controle de corrente, entre o emissor e o coletor.

VCB

n np

+-+-VBE

iBiE iC

Emissor

Coletor

BaseiB

iC

iE

VCB

VBE

VCE

8

Exatamente como acontece com o registro de uma torneira, onde se controla o fluxo de água através dele.

http://3.bp.blogspot.com/_8pDxwSt70oc/S6oGV__76BI/AAAAAAAAAlo/Ru9haq3FcLc/s1600/Calendario+Marelli+201011.jpg

9

Também, como a corrente de base é muito menor do que a corrente de coletor, temos que uma pequena variação de corrente da base fornece uma grande variação da corrente de coletor.

∆iB ∆iC

VCB

n np

+-+-VBE

iBiE iC

Emissor

Coletor

BaseiB

iC

iE

VCB

VBE

VCE

10

Dessa forma, podemos dizer que a variação na corrente

de coletor é um reflexo amplificado da variação da corrente ocorrida na base.

∆iB

VCB

n np

+-+-VBE

iBiE iC

Emissor

Coletor

BaseiB

iC

iE

VCB

VBE

VCE

∆iC

11

É exatamente este fato, do transistor proporcionar uma amplificação de um sinal, que faz dele o que denominamos de componente ATIVO.

12

A este efeito de AMPLIFICAÇÃO denominamos de ganho de corrente e pode ser expresso como

VCB

n np

+-+-VBE

iBiE iC

Emissor

Coletor

BaseiB

iC

iE

VCB

VBE

VCE

∆iB ∆iC

13

Obviamente, este efeito de amplificação também ocorre nos transistores pnp.

∆iB ∆iC

-+VBC

p pn

-+VEB

iBiE iCEmissor

Coletor

Base

iBiC

iEVEB

VBC

VEC

14

Configurações básicas no TBJ

Os transistores bipolares podem ser utilizados em três configurações básicas.

15

i. Base Comum (BC)

16

i. Base Comum (BC)

ii. Emissor Comum (EC)

17

i. Base Comum (BC)

ii. Emissor Comum (EC)

iii. Coletor Comum (CC)

18

Configurações básicas no TBJpnp npn

Base Comum

Emissor Comum

Coletor Comum

Configuração

19

O termo comum diz respeito ao terminal que é comum à entrada e a saída do circuito.

20

Cada uma dessas configurações têm características específicas e aplicações diferentes, que discutiremos a seguir.

21

Principais Características das configurações

Com o intuito de tornar mais fácil a utilização dos transistores com relação à sua polarização, é comum os fabricantes disponibilizarem duas informações, extremamente importantes, de forma gráfica.

22

São elas,

23

São elas,

A característica de entrada

E

A característica de saída.

24

Muito comum, os fabricantes fornecerem as curvas características na configuração emissor-comum, e a partir desta, obter os parâmetros necessários para outras configurações.

25

A curva característica de entrada mostra a relação entre corrente e tensão de entrada para vários valores constantes de tensão de saída, formando assim, uma família de curvas, para cada tensão de saída aplicada.

26

Analogamente, na curva característica de saída, temos a relação entre, a corrente e a tensão de saída, para vários valores constantes de corrente de entrada, formando também uma família de curvas, uma para cada corrente de entrada.

27

A partir dessas curvas podemos calcular os resistores de polarização mais adequados para cada configuração e aplicação.

28

Nota:Por uma questão de convenção, utiliza-se letras maiúsculas, V e I, para se representar tensões e correntes que se conhecem seus valores, e representamos pela letra minúscula, v e i, quando representarem variáveis.

29

Configuração Base Comum (BC)

Nesta configuração, temos que o emissor é o terminal de entrada de corrente, enquanto que, o coletor é o terminal de saída do circuito.

iB

iCiE

iB

iCiE

pnp npn

30

O terminal da base é comum às tensões de entrada e saída.

iB

iCiE

VCBVBE

VCE

iB

iCiE

VEB VBC

VEC

pnp npn

31

Como tudo que ocorre no transistor npn, ocorre de forma semelhante no transistor pnp, apenas invertendo-se as tensões e correntes, basta, a partir de agora, prosseguirmos apenas com um deles, para evitar explicações demasiadamente repetitivas.

32

Vamos, portanto, utilizar como referência o transistor npn que é o mais utilizado.

33

Curva característica de Entrada BCVariando-se a tensão de entrada VBE e mantendo-se fixa a tensão de saída VCB, obtém-se uma corrente de entrada iE, com o seguinte aspecto.

34

Curva característica de Entrada BCVariando-se a tensão de entrada VBE e mantendo-se fixa a tensão de saída VCB, obtém-se uma corrente de entrada iE, com o seguinte aspecto.

VCB1

VCB2

VCB3

vBEVγ

iB

iCiE

VCBVBE

VCE

npn

VCB1 > VCB2

> VCB3iE

35

Curva característica de Entrada BCNote que a característica de entrada, ou também denominada, característica de emissor, é semelhante à curva característica de um diodo polarizado diretamente.

VCB1

VCB2

VCB3

vBEVγ

iB

iCiE

VCBVBE

VCE

npn

VCB1 > VCB2

> VCB3iE

36

Curva característica de Entrada BCSendo que, até a tensão de entrada atingir a barreira de Vγ = 0.7 V para o silício, ou Vγ = 0.3 V para o germânio, a corrente não varia relativamente.

VCB1

VCB2

VCB3

vBEVγ

iB

iCiE

VCBVBE

VCE

npn

VCB1 > VCB2

> VCB3iE

37

Curva característica de Entrada BCA partir desse valor, pode-se perceber que, pequenas variações de tensão de entrada VBE causam grandes variações na corrente de entrada, iE.

VCB1

VCB2

VCB3iE

vBEVγ

iB

iCiE

VCBVBE

VCE

npn

VCB1 > VCB2

> VCB3

38

Curva característica de Saída BC Para este caso, variando-se a tensão de saída VCB, para cada valor constante de corrente de entrada IE, obtém-se uma corrente de saída ic, cujo gráfico pode apresentar o seguinte aspecto:

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

39

Curva característica de Saída BC A característica de saída, ou de coletor, pode ser dividida em três regiões distintas, uma vez que, em cada uma dessas regiões, o transistor apresenta um comportamento peculiar.

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

40

Curva característica de Saída BC Assim temos:i. Região de corteii. Região de saturaçãoiii. Região ativa

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

41

Curva característica de Saída BC Na região de corte as duas junções do transistor estão polarizadas reversamente, sendo que a corrente de saída (do coletor) é desprezível.

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

42

Curva característica de Saída BC Nesta situação é como se o transistor estivesse desconectado do circuito, e por isso, dizemos que o transistor esta cortado, em corte.

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

43

Curva característica de Saída BC Opostamente, na região de saturação as duas junções do transistor estão polarizadas diretamente, fazendo com que uma pequena variação de tensão VCB (saída) forneça uma grande variação de corrente de coletor.

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

44

Curva característica de Saída BC Nesta situação dizemos que o transistor está saturado.

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

45

Curva característica de Saída BC Podemos comparar essa situação com a de um curto-circuito, VCB ≈ 0.

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

46

Curva característica de Saída BC Finalmente, na região ativa, temos a junção emissor-base polarizada diretamente, e a junção base-coletor, polarizada reversamente.

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

47

Curva característica de Saída BC Note que, nesta região as curvas são lineares, por isto, esta região é a mais utilizada na maioria das aplicações.

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

48

Curva característica de Saída BC Principalmente, na amplificação de sinais, para que a distorção seja mínima.

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

49

Se observarmos o transistor trabalhando nas regiões de corte e saturação...

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

50

... podemos concluir que o transistor comporta-se como uma chave eletrônica,

51

sendo uma chave aberta quando está cortado,

Chave aberta – Transistor em corte

52

e uma chave fechada, quando estiver saturado.

Chave fechado – Transistor saturado

iC

53

Este comportamento do transistor como uma chave eletrônica apresenta diversas aplicações práticas, e será desenvolvido em outra oportunidade.

54

Ganho de corrente na Configuração Base Comum

O ganho de corrente de um circuito qualquer é a relação entre a variação de corrente de saída e a variação da corrente de entrada, para tensão de saída constante.

55

Ganho de corrente na Configuração Base Comum

Na configuração BC, chamamos de α o ganho de corrente

56

Ganho de corrente na Configuração Base Comum

Como pode ser observado na característica BC de saída, na região ativa, as curvas de iE são praticamente paralelas ao eixo VCB, de modo que podemos reescrever

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

57

Ganho de corrente na Configuração Base Comum

a relação anterior da seguinte forma

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

58

Como

Podemos concluir que o ganho de corrente

é sempre menor do que 1.

59

Esse valor na maior parte dos transistores está entre

0.9 e 0.998

60

Fisicamente, isto se explica pelo fato de que a corrente de base, formada a partir da corrente de emissor, é muito pequena.

-+VCB VBC

n np p pn

+-+-VBE

-+VEB

iB iBiEiE iC iC

61

Isto também pode ser visualizado pela pequena inclinação das curvas de iE na característica de saída.

vCB5 10

10

5

15

( b )

IE = 0.2 mA

iC (mA)

15 20 25

IE = 0.1 mA

IE = 0.0 mA

IE = 0.3 mA

IE = 0.4 mARegião de saturação

Região ativa

Região de corte

62

Exercício

63

Dadas as curvas características de entrada e saída de um transistor npn, determine:

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

64

(a) A tensão de entrada aproximada, a partir da qual a corrente de entrada começa a fluir de forma intensa.

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

65

Analisando-se a característica de entrada podemos dizer que a corrente de entrada iE começa a crescer quando a tensão de entrada é VBE ≈ 0.7 V;

vBE

iE

1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 V

66

(b) De qual material semicondutor o transistor é feito ?

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

67

Pelo valor aproximado da tensão de entrada,VBE ≈ 0.7 V, podemos dizer que o material é o silício.

Se a entrada fosse VBE ≈ 0.3 V, o material poderia ser o germânio.

vBE

iE

1 2

10

20

30

40

50

VCB = 4.0 V

68

(c) Qual a corrente de entrada quando a tensão de entrada vale 1 V ?

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

69

Para saber qual a corrente de entrada, devemos ainda analisar a curva (a), pois ela estabelece uma relação entre a corrente de entrada e a tensão de entrada.

vBE

iE

1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 V

70

Nesta figura podemos verificar que, quando a tensão VBE = 1 V, a corrente de entrada é 30 mA.

vBE

iE

1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 V

71

(d) Qual a corrente de saída quando a tensão de entrada vale 1 V ?

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

72

(d) Qual a corrente de saída quando a tensão de entrada vale 1 V ?

Agora, para avaliarmos a corrente de saída, devemos analisar as curvas (a) e (b).

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

73

Note que, a curva característica de entrada foi obtida para uma tensão de saída, VCB = 4 V.

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

74

Entretanto, com esse valor, VCB=4V, na curva característica de saída, juntamente com a corrente de entrada iE= 30 mA, tem-se que a corrente de saída, ic = 25 mA.

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

75

(e) Qual a corrente na base quando a tensão de entrada vale VBE = 1 V ?

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

76

Observando as curvas características, quando a tensão de entrada VBE vale 1 V, na figura (a) vemos que a corrente de entrada, IE, vale 30 mA, e observando a curva (b), vemos que, a corrente iC na curva de IE =30 mA

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

77

Em VBE = 1 V, corresponde a uma corrente de coletor de iC =25 mA.

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

78

A corrente na base, iB, poderá então ser encontrada através da relação

iE = iB + iC

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

79

Sendo assim, temos que

iB = 5 mA

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

80

(f) Qual o ganho de corrente quando a tensão de entrada vale 1 V ?

vBE1 2

10

20

30

40

50

( a )

VCB = 4.0 ViE (mA)

vCB1 2

10

20

30

40

50

( b )

IE = 30 mA

iC (mA)

3 4 5

IE = 20 mA

IE = 10 mA

IE = 40 mA

IE = 50 mA

81

Conhecendo-se os valores de corrente iC e iE podemos encontrar o ganho de corrente do transistor através da seguinte relação.

82

Referências

83

DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES: DIODOS E TRANSISTORESAutor:CRUZ, EDUARDO CESAR ALVESJUNIOR, SALOMAO CHOUERIMARQUES, ANGELO EDUARDO BATTISTINI