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Transistor Bipolar de Junção (TBJ)
1Regiane Ragi
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Esta aula baseia-se no livro:
DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES: DIODOS E TRANSISTORES
EDUARDO CESAR ALVES CRUZ, SALOMAO CHOUERI JUNIOR e
ANGELO EDUARDO BATTISTINI MARQUES
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Transistor Bipolar de Junção
Os transistores são dispositivos que podem amplificar sinais ou funcionar como uma chave eletrônica, comutando um dispositivo de um estado ligado para um estado desligado.
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Transistor Bipolar de JunçãoOs transistores bipolares que iremos estudar nesta aula são formados por três regiões de materiais semicondutoras, apresentando duas junções PN, daí o nome de transistor bipolar de junção (TBJ).
Material tipo
PMaterial tipo
PN
Emissor Base Coletor
Três regiões de um transistor bipolarJunção emissor-base Junção base-coletor
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Transistor Bipolar de Junção
O transistor bipolar de junção (TBJ) são dispositivos bipolares, porque seu funcionamento depende de dois tipos de portadores de corrente,
as lacunas e os elétrons.
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Transistor Bipolar de Junção
Os transistores bipolares podem ser de dois tipos:
Material tipo
PMaterial tipo
PN PMaterial tipo
NMaterial tipo
N
Emissor Base Coletor
Emissor Base Coletor
Três regiões de um transistor bipolar
n-p-n, ep-n-p
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Construção do TBJ n-p-nOs transistores bipolares n-p-n consistem de três camadas de material semicondutor, sendo uma fina camada de semicondutor do tipo-p, sanduichada entre duas regiões de material semicondutor tipo-n.
tipo-n
Emissor
tipo-n
Coletor
tipo-p
Base
n-p-n
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Construção
tipo-n tipo-ntipo-p
Contato de Emissor
Contato de Coletor
Contato de Base
Os três terminais do transistor bipolar recebem o nome de i. EMISSOR, ii. BASE e iii. COLETOR.
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tipo-nEmisso
r
tipo-nColeto
r
tipo-pBase
O emissor é fortemente dopado e tem função de emitir portadores de carga para a base:
elétrons no caso do transistor n-p-n e lacunas no caso do transistor p-n-p).
n-p-n
tipo-p tipo-ptipo-n
p-n-p
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A base é levemente dopada e muito fina.
Dessa forma, a maioria dos portadores de carga lançados do emissor para a base, tenderão a atravessá-la e dirigir-se ao coletor.
tipo-nEmisso
r
tipo-nColeto
r
tipo-pBase
n-p-n
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Construção n-p-nUm fio conecta cada uma das três regiões: emissor, base e coletor.
tipo-n tipo-ntipo-p
Contato de Emissor
Contato de Coletor
Contato de Base
Região fortemente dopada
Região moderadamente dopada
Região fracamente dopada
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Construção p-n-pTransistores p-n-p são complementares aos n-p-n e são muito menos comuns que os transistores n-p-n.
tipo-p tipo-ptipo-n
Contato de Emissor
Contato de Coletor
Contato de Base
Região fortemente dopada
Região moderadamente dopada
Região fracamente dopada
A região de emissor no transistor p-n-p também é pesadamente dopada.
A região de coletor no transistor p-n-p também é
moderadamente dopada.
A base no transistor p-n-p também é fina e levemente dopada.
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Símbolos
P N P
Base
Coletor
Emissor
N P N
Base
Coletor
Emissor
Emissor Base Coletor
Emissor Base Coletor
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Dependendo da polaridade da tensão aplicada em cada junção, obtém-se diferentes modos de operação do TBJ.
Modos de operação do TBJ
tipo-nEmisso
r
tipo-nColeto
r
tipo-pBase
n-p-n
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Polarização Para um transistor bipolar funcionar apropriadamente,
as duas junções p-n devem estar convenientemente polarizadas.
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Efeitos de se polarizar separadamente cada junção
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Para se entender como funcionam os transistores bipolares, vamos inicialmente estudar cada junção polarizada separadamente, para depois uni-las e fazer uma análise do dispositivo como um todo.
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Agora, note o sentido da corrente.
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Lembre-se que a corrente convencional tem sentido contrário ao fluxo de elétrons, e mesmo sentido que o fluxo de lacunas
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Polarizando-se a junção E-B diretamente com tensão VBE
n np
+-VBE
iB
Emissor Coletor
Base
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Polarizando-se a junção E-B diretamente com tensão VBE
n np
+-VBE
Corrente de portadores majoritários do lado n,
no caso elétrons, se dirigem para a base.
Corrente de portadores minoritários do lado p, no caso elétrons, se dirigem para o lado n.
iB
Emissor Coletor
Base
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Polarizando-se a junção E-B diretamente com tensão VBE
+ -
n np
+-VBE
Corrente de portadores majoritários do lado n,
no caso elétrons, se dirigem para a base.
Corrente de portadores minoritários do lado p, no caso elétrons se dirigem para o lado n.
iB
A junção E-B funciona como um diodo polarizado diretamente, fazendo fluir através dela uma grande corrente iB de portadores majoritários, elétrons livres no caso do transistor n-p-n.
Emissor Coletor
Base
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O mesmo acontece se polarizarmos diretamente a junção emissor base no caso de um transistor bipolar pnp
+ -
p pn
-+VEB
Corrente de portadores majoritários do lado p, no
caso, lacunas, se dirigem à base.
Corrente de portadores minoritários(lacunas) do lado n se dirigindo ao lado p.
iB
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Assim, polarizando-se a junção E-B diretamente com VBE (n-p-n) e VEB (p-n-p)
+ -
p pn
-+
n np
+-VBE VEB
Corrente de portadores majoritários(elétrons) do lado n se dirigindo à base.
Corrente de portadores majoritários(lacunas) do lado p se dirigindo à base.
Corrente de portadores minoritários(elétrons) do lado p se dirigindo ao lado n.
Corrente de portadores minoritários(lacunas) do lado n se dirigindo ao lado p.
iB iB
Aparece uma pequena corrente, em sentido contrário, devido aos portadores minoritários. Esta corrente é chamada de corrente de fuga.
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Analogamente, a junção B-C também comporta-se como uma junção p-n comum.
-+VCB VBC
n np p pn
Corrente de portadores minoritários
+-
Corrente de portadores minoritários
Alargamento da região de depleção
Alargamento da região de depleção
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A barreira de potencial aumenta, devido ao alargamento da região de depleção, diminuindo drasticamente o fluxo de corrente dos portadores majoritários, porém, os portadores minoritários atravessam a barreira com facilidade, no sentido contrário, fazendo circular uma corrente reversa, ainda menor e praticamente desprezível, pois tais portadores são em número muito pequeno.
-+VCB VBC
n np p pn
Corrente de portadores minoritários
+-
Corrente de portadores minoritários
Alargamento da região de depleção
Alargamento da região de depleção
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Tendo compreendido o efeito de se polarizar separadamente cada junção, o próximo passo é compreender quais são os efeitos de se polarizar simultaneamente ambas as junções.
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Efeitos de se polarizar simultaneamente ambas as
junções
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PolarizaçãoNeste cenário, há quatro possíveis combinações, porém, somente três delas desempenham um papel significante na eletrônica:
30
PolarizaçãoNeste cenário, há quatro possíveis combinações, porém, somente três delas desempenham um papel significante na eletrônica:i. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas
Reversamente condição de cut-off
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PolarizaçãoNeste cenário, há quatro possíveis combinações, porém, somente três delas desempenham um papel significante na eletrônica:i. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas
Reversamente condição de cut-offii. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas
Diretamente condição de saturação
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PolarizaçãoNeste cenário, há quatro possíveis combinações, porém, somente três delas desempenham um papel significante na eletrônica:i. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas
Reversamente condição de cut-offii. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas
Diretamente condição de saturaçãoiii. Junção Base-Emissor polarizada diretamente e Base-
Coletor polarizada Reversamente operações lineares (modo ativo)
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Operação É importante compreender quais são os efeitos de se polarizar simultaneamente ambas as junções.
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i- Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente
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i- Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente
Esta é a condição conhecida como
cut off (corte)
e é essencial para operações digitais.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal de coletor
Terminal de emissor
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Não é usada em operações lineares, tais como amplificadores.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal de coletor
Terminal de emissor
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Em operações digitais o transistor somente opera como chave aberta ou chave fechada (do inglês, switch on e switch off).
N
N
P
+
-
-
+
Terminal de coletor
Terminal de emissor
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Operações lineares no transistor ocorrem no espectro inteiro entre os estados ON e OFF, ligado/desligado.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal de coletor
Terminal de emissor
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ii - Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Diretamente
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ii - Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Diretamente
A corrente é grande nas duas junções é a condição de corrente mais alta para um transistor.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal de coletor
Terminal de emissor
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Esta condição é chamada de saturação.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal de coletor
Terminal de emissor
42
Nestas condições: (transistor típico)
i. VE = 0 Vii. VB = 0.7 Viii.VC = 0.2 V N
N
P
+
-
-
+
Terminal de coletor
Terminal de emissor
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Comporta-se como um curto-circuito.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal de coletor
Terminal de emissor
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Saturação e cut-off (corte) são as condições usadas em circuitaria digital e conseqüentemente em microprocessadores. N
N
P
+
-
-
+
Terminal de coletor
Terminal de emissor
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iii - Junção Base-Emissor polarizada diretamente e Base-Coletor
polarizada Reversamente
46
iii - Junção Base-Emissor polarizada diretamente e Base-Coletor polarizada Reversamente
N NP
RE RC
+_ _ +
VBE VCB
Emissor Base Coletor
ICIE
IB
Observa-se agora que o fluxo de portadores majoritários na junção E-B, que antes se dirigia totalmente ao terminal de base, agora devido à atração maior exercida pelo coletor, dirige-se quase totalmente para o coletor, atravessando a junção B-C sem a menor dificuldade.
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-+VCB VBC
n np p pn
+-+-VBE
-+VEB
Tensões e correntes nos transistores n-p-n e p-n-p
iB iBiEiE iC iC
Emissor
Coletor
BaseiB
iC
iE
VCB
VBE
VCE
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iEVEB
VBC
VEC
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Emissor
Coletor
BaseiB
iC
iE
VCB
VBE
VCE
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iEVEB
VBC
VEC
Abaixo, é mostrado o esquema geral de tensões e correntes de portadores majoritários para os transistores npn e pnp, assumindo-se o sentido convencional de corrente, e lembrando-se que as correntes de portadores minoritários são em geral desprezadas.
npn pnp
49
iE = iB + iC
Emissor
Coletor
BaseiB
iC
iE
VCB
VBE
VCE
Emissor
Coletor
BaseiB
iC
iEVEB
VBC
VEC
Aplicando-se a primeira lei de Kirchhoff para as correntes:
n-p-n p-n-p-+
VCB VBC
n np p pn
+-+-VBE
-+VEB
iB iBiEiE iC iC
50
Aplicando-se a segunda lei de Kirchhoff para as tensões:
VEC = VBC + VEB
VCE = VBE + VCB
Emissor
Coletor
BaseiB
iC
iE
VCB
VBE
VCE
Emissor
Coletor
BaseiB
iC
iEVEB
VBC
VEC
n-p-n p-n-p-+
VCB VBC
n np p pn
+-+-VBE
-+VEB
iB iBiEiE iC iC
O comportamento esperado do transistor nesse tipo de configuração em circuitos eletrônicos é fazer o controle da passagem de corrente entre o emissor e o coletor através da base.
Isto é alcançado polarizando o transistor adequadamente.
Junção Base-Emissor polarizada diretamente e Junção Base-Coletor polarizada Reversamente.
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N NP
RE RC
+_ _ +
VBE VCB
Emissor Base Coletor
Fluxo de corrente em um transistor npn polarizado de modo a operar na região ativa. Sentido convencional das correntes.
iCiE
iB
iE = iB + iC
5353
Devido a difusão de portadores nas junções J1 e J2, barreiras de potencial são produzidas entre emissor e base e base e coletor, de 0.7 V para o silício e de 0.3 V para o germânio, à temperatura ambiente.
J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor
N NP
RE RC
+_ _ +
VBE VCB
Emissor Base Coletor
iCiE
iB
54
J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor
Considere a junção J1 em polarização direta e a junção J2 em polarização reversa.
N NP
RE RC
+_ _ +
VBE VCB
Emissor Base Coletor
ICIE
IB
55
J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor
Como a junção J1 está polarizada diretamente, não oferece barreira aos elétrons, que passam para a região P.
N NP
RE RC
+_ _ +
VBE VCB
Emissor Base Coletor
ICIE
IB
56
J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor
Esta região (P) sendo muito estreita, e estando os elétrons muito acelerados, apenas alguns conseguem se recombinar com as lacunas da região P.
N NP
RE RC
+_ _ +
VBE VCB
Emissor Base Coletor
ICIE
IB
57
Para entender porque a corrente se dirige menos à base basta lembrar que a base é mais estreita e fracamente dopada.
N NP
RE RC
+_ _ +
VBE VCB
Emissor Base Coletor
ICIE
IB
58
Assim os portadores que vêm do emissor saturam a base rapidamente através das recombinações, fazendo com que os portadores se dividam em duas partes:
Uma pequena parte saindo pelo terminal de base;
E a maior parte saindo pelo coletor, atraídos pela sua tensão.
N NP
RE RC
+_ _ +
VBE VCB
Emissor Base Coletor
ICIE
IB
59
A polarização direta na base de um transistor controla a quantidade de corrente que passa pelo circuito de coletor.
J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor
N NP
RE RC
+_ _ +
VBE VCB
Emissor Base Coletor
ICIE
IB
60
A maior parte do fluxo de corrente é de emissor para coletor, sendo que apenas uma pequena corrente circula entre emissor e base, ilustrando o efeito de amplificação.
J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor
N NP
RE RC
+_ _ +
VBE VCB
Emissor Base Coletor
ICIE
IB
61
Pode-se controlar a corrente C-B controlando-se a polarização E-B.
J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor
N NP
RE RC
+_ _ +
VBE VCB
Emissor Base Coletor
ICIE
IB
62
Nestas condições:
N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
63
O fluxo de corrente é máxima do emissor para o coletor.
A corrente de base é muito pequena.
A corrente base-emissor é alta.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
64
Sabemos que o emissor é pesadamente dopado, contendo muito elétrons livres.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
65
Como a base é levemente dopada com lacunas, se alguns elétrons se recombinam com as lacunas, outros elétrons podem sair da base. N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
66
A maior parte dos elétrons “verão” o positivo do coletor, entrarão na região de depleção, entre a base e o coletor, e serão varridos para o coletor. N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
67
O transistor é construído de modo a encorajar que a corrente flua do emissor para o coletor, sob polarização. N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
68
A base por ser levemente dopada não estimula a recombinação por isso a recombinação é difícil. N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
69
A base sendo muito fina, faz com que seja mais provável que os elétrons livres encontre a camada de depleção base/coletor antes de encontrar uma lacuna.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
70
95 ~ 99 % dos elétrons fluirão através do coletor.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
71
Assim, definimos o α do transistor
α = IC / IEN
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
72
Esta configuração é exigida para transistores operando na região linear.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
73
A saída terá uma forma de onda idêntica a onda da entrada.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
74
Correntes de emissor e coletor serão aproximadamente iguais.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
75
Corrente de base será muito pequena.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
76
Se a corrente de base varia, a corrente no emissor e coletor variarão proporcionalmente.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
77
Esta é a base para a amplificação.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
78
A razão entre a corrente de base e de coletor é pequena e é chamada de β do transistor
β = IC / IB = hFE
N
N
P
+
+
-
-
Terminal de coletor
Terminal de emissor
79
Em resumo . . . É importante compreender
quais são os efeitos de se polarizar simultaneamente
ambas as junções.
80
Disso resulta os modos de operação do TBJ
81
Modos de operação do
TBJ
82
Modos de operação do TBJO transistor pode operar em três diferentes estados:
83
Modos de operação do TBJO transistor pode operar em três diferentes estados:
Cut-off (corte) – no qual o transistor não tem nenhuma corrente de saída. (i- Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente)
84
Modos de operação do TBJO transistor pode operar em três diferentes estados:
Cut-off (corte) – no qual o transistor não tem nenhuma corrente de saída. (i- Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente)
Região Ativa – no qual a corrente de saída de coletor, iC é controlada pela corrente de base, iB, (ii - Junção Base-Emissor e
Base-Coletor polarizadas Diretamente) e
85
Modos de operação do TBJO transistor pode operar em três diferentes estados:
Cut-off (corte) – no qual o transistor não tem nenhuma corrente de saída. (i- Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente)
Saturação – onde a corrente de coletor do transistor alcança um valor máximo e um aumento na corrente de base não tem nenhum efeito sobre a corrente de coletor (ii - Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Diretamente), eRegião Ativa – no qual a corrente de saída de coletor, iC é controlada pela corrente de base, iB, (iii - Junção Base-Emissor
polarizada diretamente e Base-Coletor polarizada Reversamente).
86
Cut-off
87
Cut-off ou corteA corrente de saída do transistor é zero ou desprezível.
88
Cut-offQuando a corrente iC é zero, a tensão de saída é máxima
Normalmente igual à tensão de polarização da fonte.
89
Cut-offPortanto, no modo cut-off
VCE = VCC, e iC = 0,
Onde VCC é a tensão de polarização do gerador.
90
Cut-offEste modo é o oposto da saturação.
91
Saturação
92
SaturaçãoO transistor produzirá a corrente máxima para o circuito, e o valor dessa corrente é dependente dos parâmetros do circuito.
93
SaturaçãoO transistor é considerado saturado quando a tensão coletor-emissor é próxima a zero ou maior do que 0.2 V.
94
SaturaçãoSaturação também pode ser expressa VCE ≈ 0 e iC é o valor máximo.
95
SaturaçãoSaturação é quando o transistor tem corrente máxima mas tensão de saída mínima, o oposto do modo cut-off.
96
Modo-ativo
97
Modo Ativo
Nesse modo, a corrente de saída iC é controlada pela corrente de entrada iB.
98
Modo Ativo
Modo ativo é útil para projetar amplificadores de corrente e tensão.
99
Modo Ativo
A relação entre as correntes é expressa pela
iE = iC + iB, e iC = β · iB
100
Modo Ativo
Isto demonstra que as correntes de coletor e emissor são funções da iB corrente de entrada.
101
Modo Ativo
Quando a corrente de controle é a corrente de base, dizemos que o dispositivo é controlado por corrente.
102
Conceitos de PolarizaçãoConceitos importantes para se entender sobre polarização de transistores e características.
O beta do transistor
β = IC / IB = hFE
O alfa do transistor
α = IC / IE
Saturação
fluxo de corrente máxima do transistor
Corte (cutoff)
nenhum fluxo de corrente
1
2
3
4
Emissor
Coletor
Base
Transistor típico: 2N3904 tem100 < β < 300
Para o transistor na região ativa.
103
Condições de Polarização
Para as várias aplicações, certas condições devem ser satisfeitas para que o circuito opere apropriadamente.
Aplicação Região de operação do
transistor
PolarizaçãoB - E
PolarizaçãoB - C
Circuitosdigitais
Saturação Direta Direta
Circuitosdigitais
Corte Reversa Reversa
Amplificadores Linear Direta Reversa