Fundamentos de Electrónica Transístores de Junção Bipolar Bipolar Junction Transistor - BJT

Fundamentos de Electrónica

Transístores de Junção Bipolar

Bipolar Junction Transistor - BJT

Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 2

Roteiro

Equações aos terminais Modelo de pequenos sinais Montagens amplificadores de um único canal Princípios Físicos – junção npn e pnp Equação de Ebers-Moll de funcionamento na

região de saturação Modelo de alta-frequência


Transístor n-p-n

Semelhante a dois díodos costas com costas, mas, Largura de base, W, é muito pequena! Três zonas tipicas de operação

Zona de corte – Ambas as junções ao corte Zona de activaZona de activa – Junção B-E ON Junção B-C OFF Zona de saturação – Ambas as junções ON

n p n

Base

Emissor Colector

Junção base-emissor Junção base-colector

W


Funcionamento na Zona Activa

Na zona activa temos a junção BE polarizada inversamente e a junção BC polarizada inversamente

Os electrões responsáveis pela condução de corrente na junção base emissor atravessam a pequena base e são recolhidos no colector!

n p nEmissor Colector

Base

Junção Polarizada directamente

Junção Polarizada inversamente

I

A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector

IcIe

Ib



Porque é que os electrões não são bloqueados pela junção base colector? Porque como a base é muito fina a velocidade dos electroes é

suficiente para que os electrões chegem ao lado n antes de colidirem com outras particulas (nucleos ou lacunas).

Os que ficam pelo caminho vão formar parte da corrente na base. Assim temos que a corrente no colector será aproximadamente igual

à corrente no emissor (IcIe) e que a corrente a base será muito pequena (Ib<<Ic)

De facto temos que Ic é proporcional a Ib, Ic = Ic = Ib Ib, com >>1

n p nEmissor Colector

Base

Junção Polarizada directamente

Junção Polarizada inversamente

I

A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector

IcIe

Ib


Equações para as correntes (zona activa)

CBE iii

TBE vvSC eIi /BC ii

np

n

Emissor

Colector

Base

Ic

Ie

Ib

BBBE iiii )1(

EC ii

1

IbIe

Ic

Temos ainda:


Símbolo

O símbolo do transístor npn é baseado no seu modelo equivalente

IbIe

Ic

emissor

colector

baseB

E

C


Modelos equivalentes (npn)

TBE VvSC eIi /

TBE VvSC eIi /

EC ii

/CB ii

TBE VvSE e

Ii /

TBE VvSB e

Ii /

BC ii

B

B

B

B

C

C

C

C

E

E E

E

/CE ii


Transístor pnp

O emissor injecta lacunas na base que passam directamente para o colector.

As equações são semelhantes às do transístor npn mas mudam os sentidos das correntes e troca-se Vbe por Veb.

p n p

Base

Emissor Colector

W

Ib

Ie

Ic

emissor

colector

base

TEB vvSC eIi /

BC ii


Modelos equivalentes (pnp)

TEB VvSC eIi /

EC ii

/CB ii

TEB VvSE e

Ii /

TEB VvSB e

Ii /

BC ii

/CE ii B

C

E

TEB VvSC eIi /

B

C

E

BC

E

BC

E



VCE

VBE

IcIb

Ie

npn

TBE VvSC eIi /

pnp

VEC

VEB Ie

IcIb

EC ii BC ii )1/(

TEB VvSC eIi /

VVCE 2.0 VVEC 2.0JBE ON JBE ON


Zona de Saturação

A junção Base-Colector começa a conduzir para Vbc=0.5V donde resulta que na entrada na zona de saturação podemos considerar Vce=0.2

0.5V

0.7V

0.2V

C

B

E

Modelo para o transístor na zona de saturação

Modelo simplificado

0.7V

0.2V

CB

E

C

B

E


Curvas Características dos Transístores Zona Activa

V212V

Q12N3903

I150uA

Ib=60uA

Ib=20uA

Vce (V)

Ic (

A)


Ic

Ie

Zona Activa Inversa Zona Activa Inversa

O transístor é um dispositivo aproximadamente simétrico, de tal forma que se trocarmos o emissor com o colector obtemos um novo dispositivo, que continua a funcionar como um transístor.

No entanto o colector é em geral menos dopado que o emissor, donde resulta que o novo (R) é bastante mais pequeno.

Trocar o emissor com o colector corresponde utilizar um valor de VCE negativo.

TBC VvSE eIi /

VVEC 2.0 JBC ON

IbVCE

VBE

CRE ii BRE ii


Curvas Características

R

Zona activa inversa

Zona activa

Zona saturação


Variação de beta com a corrente

0

50

100

150

200

0,0000001 0,00001 0,001 0,1 10 1000

Ic (A)

bet

a

grandes variações de corrente provocam variações do beta


O Efeito da Temperatura Vbe varia cerca de

–2mV/ºC para valores semelhantes de Ic

Beta do transístor tipicamente aumenta com a temperatura

V212V

Q12N3903

V11V

Sensibilidade á Temperatura

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Vbe (V)

Ic (

A) 0ºC

27ºC

60ºC


Efeito de EarlyMesmo na zona activa existe uma pequena dependência de Ic com Vce. Tal deve-se a uma diminuição da largura efectiva da região de base, devido ao alargamento da região de depleção da junção CE. Efeito de Early.

V212V

Q12N3903

I150uA

VA

Tensão de Early

A

cevvSc V

veIi TBE 1/


Modelo de pequenos sinais

r

Modelo Modelo T

BC

E

+

-

v

BC ii .B

C

E

BEC vgmi .

er

T

C

V

Igm

gmI

Vr

B

T

T

C

V

Igm

E

Te I

Vrr

1

EC ii vgmiC .

Nota: BEvv


Incorporando o efeito de Early

r

Modelo aumentado

BC

E

+

-

v

C

AO I

Vr

Or

ro modela o efeito de Early. Pode ser considerado como a resistência de

saída da fonte de corrente.


VCC

Rb

Re

RcVB

Polarização Polarização: escolha do ponto de funcionamento em repouso

com uma fonte de tensão. Como regra de polegar é usual distribuir a tensão igualmente

por Rc, Vce e Re:

VCC

R1

R2

Re

Rc

Equivalente de Thévenin

CCB VRR

RV

21

2

21 // RRRB

)1/(

BE

BEBE RR

VVI

Para que IE seja insensível a variações de temperatura e de

devemos ter

BEBB VV

)1/( BE RR E

BE R

VI

EECECC RIVRI


Polarização A polarização com duas

fontes de tensão permite reduzir o consumo, etc…

VCC

Rb

Re

Rc

VEE

)1/(

BE

BEEEE RR

VVI

EII C

Polarização com uma fonte de corrente permite aumentar a impedância vista da base, etc…

1

21

R

VVV

II

BEEECC

EE


Configurações de Amplificação de um Único Andar

Q1

I1

Rs

V1

Rc

Vcc

Vee

Vo

Q1

I1

Rs

V1

Vcc

Vee

CeVo

Rl

Q1

I1

Rs

V1

Rc

Vcc

Vee

Vo

Montagem emissor comum

Montagem colector comum ou seguidor de emissor

Montagem base comum


Montagem Emissor Comum

Q1

I1

Rs

V1

Rc

Vcc

Vee

Vo

rRI

COOS

i RrvgmverR

rvv //.

OCO rRR //

COS

V RrrR

rgmA //

CV RgmA

CO

OI Rr

rA


Usa-se para ter

Ganho de tensão

Rs

Vi Rpi ro Rc

gm vpi

-

vpi+

io

ib

RiRo


Emissor Comum Degenerado

Q1

I1

Rs

V1

Rc

Vcc

Vee

Vo

Re


EI RrR 1 CO RR

E

C

EeS

CV R

R

RrR

RA

1

IA

RsVs

Rc

Vo

re

Re

Ri

Ro

.ie

+

-

v

Ii

Io


Q1

I1

Rs

V1

Vcc

Vee

CeVo

Rl

Montagem Colector Comumou Seguidor de Emissor

Rs

V1Vo

Rl

re

ro


LoeI RrrR //1

eS

eOO rR

rrR

1

//

1

11//

//

S

L

L

SLoe

LoeV R

R

RR

Rrr

RrrA

LO

OI Rr

rA

1

Ri

Ro Io

Nota:calcularam-se os ganho de corrente e tensão com carga

Usa-se para ter Ganho de corrente


Montagem Base Comum

Q1

I1

Rs

V1

Rc

Vcc

Vee

Vo Rs

Vi

re

Vo

Rc

Ri

Ro iE

eI rR CO RR

eS

CV rR

RA

IA


O Inversor BJT

Q1Rs

Vi

Rc

Vcc

Vo

Não é utilizada em parte devido ás dificuldades em retirar o transistor dasaturação

Exemplo: Rb=10k , Rc=1k e =50 e Vcc=5V

VIL VIH

VOH

VOL

ZonaCorte

ZonaActiva

ZonaSaturação

0.7V

0.2V

VR

RVIRVVC

SBSIH 66.12.05

7.07.0

IHOHH VVNM OLILL VVNM Margens de Ruído:


Perfil da Densidade de Portadores

A densidade de electrões livres decresce na base. No colector os electrões livres são removidos pelo campo eléctrico.

Como a base tem um comprimento bastante inferior ao comprimento de difusão este decréscimo é linear.

A base (tipo-p) é bastante menos dopada que o emissor (tipo-n) logo a concentração de lacunas é bastante inferior à concentração de electrões livres.

O Campo eléctrico remove os electrões

livres

WLargura efectiva de base

Linear já que W << Ld

Emissor (n)

Base (p)

Colector (n)

)0(pn)(xn

)(xp

Vbe Vcb

I


Corrente maioritária

O emissor (tipo-n) é muito mais dopado que a base (tipo-p) donde resulta que a corrente é maioritariamente formada por electrões livres, que se deslocam directamente do emissor para o colector!

T

BE

v

v

pp enn 0)0(

W

nDqA

xd

xndDqAii

pnE

pnEnC

)0(

)(

TBE vv

A

inEC e

WN

nDqAi /

2

A

ip N

nn

2

0

A tensão Vbe aumenta com a concentração de

electrões livres no emissor

Emissor (n)

Base (p)

Colector (n)

)0(pn)(xn

)(xp

Vbe Vcb

I


Corrente maioritária

O Transístor na zona activa comporta-se como um díodo polarizado directamente com uma corrente de saturação dada por “Is”, mas em que corrente flúi num terceiro terminal denominado de colector!

TBE vvSC eIi /

WN

nDqAI

A

inES

2

Emissor (n)

Base (p)

Colector (n)

)0(pn)(xn

)(xp

Vbe Vcb

I


Corrente na base A corrente da base tem duas

componentes: iB1 = Corrente minoritária devido às

lacunas que se deslocam da base para o emissor. Equação equivalente à corrente de lacunas de uma junção p-n.

TBE vv

pD

ipEB e

LN

nDqAi /

2

1

B

nB

Qi

1

WnqAQ pEn )0(2

1 TBE Vv

AB

iEB e

N

nWqAi /

2

2 2

1

21 BBB iii

iB2 = Corrente de reposição dos electrões que se recombinam com as lacunas ao atravessarem a base.

Carga armazenada

na base

Tempo médio que um electrão demora até se recombinar com

uma lacuna


Ganho de corrente do Transístor

Deve-se notar que: Beta aumenta com a diminuição da largura da base Beta aumenta com a concentração de impurezas no emissor e

diminui com a concentração de impurezas na base. Beta é normalmente considerado aproximadamente constante

para um dado transístor apesar de variar com vários factores

BC ii BnPD

A

n

p

DW

LW

NN

D

D

2

21

1

Temos ainda a relação de Einstein:

2nBn LD

Combinando as equações anteriores


Substrato Os transístores nos circuitos integrados modernos

são em geral construídos através da adição de impurezas a uma bolacha de semicondutor.

Bolacha de Silício

TransístorCorte

vertical

Transístor planar Transístor vertical

E B CE B C

Substrato de Silício

p

n n n np

Contactos metálicos


Modelo de Ebers Moll

11

11

//

//

TBCTBE

TBCTBE

Vv

R

SVvSC

VvS

VvSE

eI

eII

eIeI

I

Base

Colector

Emissor

Ib

Ie

Ic

Donde se deduz que:

11 // TBCTBE Vv

R

SVv

F

SB e

Ie

II

1/1 TBE Vv

SC eII

1/1 TBC Vv

SE eII

REC II /12

/12 CE II

Modelo global de funcionamento do Modelo global de funcionamento do transístortransístor


Zona de Saturação Utilizando o modelo de Ebers

Moll podemos chegar a seguinte fórmula para a região de saturação.

Fforced

RforcedTCESat VV

/1

/)1(1ln

forced50 48 45 40 30 20 10 1 0

Vcesat(mV) 235 211 191 166 147 123 76 60

B

Cforced I

I

10 20 30 40

50

100

150

200

250

Vce

Sat

(mV

)

forced

Fforced

Exemplo: =50


Concentração de Portadores Minoritários na Base de um Transístor Saturado

TBE Vvp en /0

TBC Vvp en /0

Zona Activa Zona Activainversa

ZonaSaturação

Grande quantidade de cargaArmasenda na base!

Tempos elevados para a saida da região de saturação


Modelo de Transporte

Base

Colector

Emissor

Ib

Ie

Ic

1

1/

/

TBC

TBE

VvS

VvSC

eI

eII

1

1

/

/

TBC

TBE

Vv

R

S

Vv

F

SB

eI

eI

I

Uma forma alternatica do modelo de Ebers-Moll


Beta para pequenos sinais

depende de Ic

ACbcB

Cef ii

i

ih

/

efef hh mas,

)().('

).(BBB

B

BB

B

Cef iii

i

ii

i

ih

Valor redusido

Beta corresponde a secante à curva, e hef à tangente à curva!


Efeitos capacitivos no BJT

Capacidade de difusão ou de carga na base(zona activa)

Capacidade da junção base emissor

Capacidade da junção base colector

CFCn

n iiD

WQ

2

2

T

CFde V

IC

m

OE

BE

jeje

VV

CC

1

0

02 jeje CC

m

OC

BC

VV

CC

1

0 02 CC

Junção ao corte Junção em condução

defe CCC


Modelo de Alta frequência

rCCsh fe

1

0

rx

rC

C

ro

C

E

B

0

fft

hfe

Q1

Vcc

Circuito para determinação do betaVariação de hfe com a frequência

CC

gmfT

2

Este modelo só é válido até cerca de

0.2 ft

T

fe

ff

h

0

0

1


Modelo do SPICE

RCResistência ohmica do colector

REResistência ohmica do emissor

TRTempo de transito inverso ideal

TFTempo de transito directo ideal

VARTensão de Early inversa

NRCoeficiente de emissão inverso

BRGanho de corrente inverso máximo

VAFTensão de Early directa

NFCoeficiente de emissão directo

BFGanho de Corrente directo máximo

ISCorrente de Saturação SI

F

n

AV

R

F

R

er

cr

VJSTensão intrinseca da junção CS

MJSCoeficiente de gradiente da junção CS

CJSCapacidade da junção CS (Pol nula)

VJCTensão intrinseca da junção BC

MJCCoeficiente de gradiente da junção BE

CJCCapacidade da junção BC (Pol nula)

VJETensão intrinseca da junção BE

MJECoeficiente de gradiente da junção BE

CJECapacidade da junção BE (Pol nula)

RBResistencia ohmica da base (Pol nula) xr

0jeC

0bem

OeV

0C

0bcm

OcV

0csC

rx

rC

C

ro

C

E

B

CCS

S

iC

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