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Transistores Bipolares de Junção (BJT)
TE214 Fundamentos da EletrônicaEngenharia Elétrica
O nome transistor vem da frase “transferring
an
electrical
signal across
a resistor
Plano de Aula
•
Contextualização•
Objetivo
•
Definições e Estrutura•
Características Tensão-Corrente
•
Modos de Operação•
Aplicações Básicas
•
Conclusões
Contextualização
•
Onde os transistores bipolares são usados?
•
Veja mais exemplos em: www.nxp.com
bipolar transistors application notes
Objetivo
•
Visão geral sobre os transistores bipolares
•
Compreender seus diferentes modos de operação
•
Conhecer algumas aplicações básicas
Questões Chave
•
Qual a estrutura de um transistor bipolar?
•
Como uma transistor de junção bipolar opera?
•
Quais são as principais dependências das correntes de terminal de um BJT no regime ativo direto?
Definições
•
O BJT é
um dispositivo de 3 terminais–
Dois tipos diferentes: npn e pnp.
•
Os símbolos do BJT e seus diagramas de bloco correspondentes:
•
Os BJTs
tem 2 junções (fronteira entre as regiões n
e p).
Estrutura
•
Por enquanto é
suficiente dizer que a estrutura mostrada na figura anterior não é
simétrica.
•
As regiões n e p são diferentes tanto geometricamente quanto em termos de concentração de dopagem.
•
Por exemplo, a concentração de dopagem no coletor, base e emissor devem ser 1015, 1017
e 1019
respectivamente.
•
Portanto, o comportamento do dispositivo não é
eletricamente simétrico e as duas terminações não podem ser permutados.
Atividade Extra-Classe: Ler sobre a estrutura do BJT. Sedra, Cap.5, Sec. 5.1 a 5.3 / Boylestad
Cap.3, Sec. 3.1 a 3.3
Estrutura
Modos de Operação
•
Como cada junção possui dois modos de polarização (direta ou reversa), o BJT com suas duas junções têm 4 modos possíveis de operação.
–
Ativa Direta: dispositivo tem boa isolação e alto ganho
regime mais útil;
–
Saturação: dispositivo não tem isolação e é
inundado com portadores minoritários). Leva tempo para sair da saturação
evitar!
–
Ativa Reversa: ganho baixo pouco útil;
–
Corte: corrente desprezível: quase um circuito aberto
útil;
Operação no Modo Ativo Direto
•
Considerando o circuito abaixo:
–
A junção Base-Emissor
(B-E) é
polarizada diretamente
–
A junção Base-Coletor (B-C) é
polarizada reversamente.
–
A corrente através da junção B-E está
relacionada a
tensão B-E por:
)1( TBE VVSE eIi
Operação no Modo Ativo Direto
Operação no Modo Ativo Direto
•
Devido as grandes diferenças de dopagem das regiões do emissor e da base, os elétrons injetados na região da base (da região do emissor) resulta na corrente do emissor (iE
).
•
Além disso o número de elétrons injetados na região do coletor é
diretamente relacionado aos elétrons injetados
na região de base a partir da região do emissor.
•
Portanto, a corrente de coletor está
relacionada a corrente do emissor que é
conseqüentemente uma
função da tensão B-E.
Operação no Modo Ativo Direto
A tensão entre dois terminais controla a corrente através do terceiro terminal.
Este é
o princípio básico do BJT!(efeito transistor)!
iC
controlada por vBE
, independente de vBC
Operação no Modo Ativo Direto
•
A corrente de coletor e a corrente de base estão relacionadas por:
e aplicando a LCK obtemos:
•
Então, das equações anteriores, o relacionamento entre as correntes de emissor e base:
BC ii
BCE iii
BE ii )1( β
depende da largura da região
da base e das dopagens relativas das regiões da base e do emissor.
Operação no Modo Ativo Direto
•
e equivalentemente
•
A fração é
chamada de α
e iE
pode ser escrita como:
•
Para transistores de interesse, β
= 100 que corresponde a α
= 0.99 e iC
iE
•
BJTs
estado-da-arte
atuais: iC
~ 0,1 −
1mA, β
~ 50 −
300.
•
β
é
difícil de controlar rigorosamente. Técnicas de projeto de circuito são necessárias para insensitividade
a variações em β.
EC ii
1
1
TBE
Vv
SE eIi
Operação no Modo Ativo Direto
•
Modelo de circuito equivalente
Operação no Modo Ativo Direto
•
A direção das correntes e as polaridades das tensões para NPN
e PNP.
Características Tensão-Corrente
•
Três tipos diferentes de tensões envolvidas na descrição de transistores e circuitos. São elas: –
Tensões das fontes de alimentação:VCC
e VBB
–
Tensões nos terminais dos transistores:VC
, VB
e
VE
–
Tensões através das junções: VBE
, VCE
e VCB
Características Tensão-Corrente
•
Os 3 terminais dos transistores e as duas junções, apresentam múltiplos regimes de operação
•
Para distinguir estes regimes, temos que olhar as características tensão-corrente do dispositivo.
•
A característica mais importante do BJT é
a o traçado da corrente de coletor (IC
) versus a tensão coletor –
emissor (VCE
), para vários valores da corrente de base IB
.
Características Tensão-Corrente
•
Curva característica qualitativa do BJT.•
O gráfico indica as 4 regiões de operação: saturação, corte, ativa e ruptura.
Características Tensão-Corrente
•
Região de Corte (cutoff): junção Base-Emissor
é
polarizada reversamente. Não há
fluxo de corrente.
•
Região de Saturação: junção Base-Emissor
polarizada
diretamente, junção Coletor- Base
é
polarizada
diretamente.IC
atinge o máximo, que é
independente
de IB
e β. Sem controle. VCE
< VBE
•
Região Ativa: junção Base- Emissor
diretamente
polarizada, junção Coletor- Base
polarizada reversamente.
Controle, IC
= β
IB
. VBE
< VCE
< VCC
•
Região de Ruptura (Breakdown):
IC
e VCE
excedem as especificações. Dano ao transistor.
Aplicações do BJT
•
Como Chave–
Se a tensão vi
for menor que a tensão necessária para polarização direta da junção EB, então IB
=0 e o transistor está
na região de corte e IC
=0. Como IC
=0, a queda de tensão sobre RC
é
0 e então Vo
=VCC .
Aplicações do BJT
•
Como Chave (cont.)–
Se a tensão vi
aumenta de modo que a tensão VBE
polariza diretamente a junção BE, o transistor ligará
e
–
Uma vez “ligado”, ainda não sabemos se ele está
operando
na região ativa ou saturação
B
BEiB R
VvI
Aplicações do BJT
•
Como Chave (cont.)–
Entretanto, aplicando LTK no laço C-E, temos:
ou
–
A equação acima é
a equação da linha de carga para este circuito.
–
Note que VCE
= Vo
CCCCCE
CECCCC
RIVV
VRIV
0
Aplicações do BJT
•
Como Chave (cont.)–
Equação da linha de carga:
CCCCCE RIVV
Aplicações do BJT
•
Lógica Digital–
Circuito inversor básico
–
Se a tensão vi
for zero (baixa) o transistor está
na região de
corte, a corrente IC
=0 e a tensão Vo
=VCC
(alta).
–
Por outro lado, se a tensão vi
for alta, igual a VCC
, por exemplo, o transistor é
levado a saturação e
a saída é
igual a VCE(sat)
que é baixa.
Este circuito é
a base para construirmos qualquer outra operação lógica.
Aplicações do BJT
•
Exercício: Lógica Digital
–
Para o circuito abaixo, complete a tabela lógica
V1 V2 Vo
Alto BaixoBaixo Alto
Baixo Baixo
Alto Alto
Aplicações do BJT
•
Como Amplificador
–
O circuito inversor básico também forma o circuito amplificador básico.
–
A curva de transferência de tensão (tensão de saída em função da tensão de entrada) é
a caracterização
fundamental de um amplificador
Aplicações do BJT
•
Como Amplificador (cont.)–
Curva de transferência de tensão
–
Note a grande inclinação da curva no modo ativo.
–
Uma pequena mudança na tensão de entrada vi
induz uma grande mudança na tensão de saída Vo
–
uma amplificação.
Aplicações do BJT
•
Como Amplificador (cont.)–
Curva de transferência de tensão
Principais Conclusões
•
O emissor “injeta”
elétrons na base•
O coletor “coleta”
elétrons da base
•
A base “injeta”
lacunas no emissor
•
IC
controlada por VBE
, independente de VBC
(efeito transistor)
•
Modo Ativo Direto: mais útil, dispositivo tem ganho e isolação.
•
Saturação: dispositivo inundado com portadores minoritários. Não é
útil.
•
Corte: dispositivo aberto. Útil.
Referências
•
SEDRA, A. S. e SMITH, K. C., Microeletrônica, 5a. Edição, Makron
Books, 2005.
•
BOYLESTAD, R. L. e NASHELSKY, L., Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos, 6a. Edição, Editora PHB, 1998.
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•
Circuitos para polarização de BJTs•
Análise DC
