Transistor bipolar de juncao (TBJ) 1

1

Transistor Bipolar de Junção (TBJ)

1Regiane 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

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.

4

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

5


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.

6


Os transistores bipolares podem ser de dois tipos:

Material tipo

PMaterial tipo

PN PMaterial tipo

NMaterial tipo

N



Três regiões de um transistor bipolar

n-p-n, ep-n-p

7

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

8

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.

9

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

10

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

11

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.

13

Símbolos

P N P

Base

Coletor

Emissor

N P N

Base

Coletor

Emissor



14

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

15

Polarização Para um transistor bipolar funcionar apropriadamente,

as duas junções p-n devem estar convenientemente polarizadas.

16

Efeitos de se polarizar separadamente cada junção

17

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.

18

Agora, note o sentido da corrente.

19

Lembre-se que a corrente convencional tem sentido contrário ao fluxo de elétrons, e mesmo sentido que o fluxo de lacunas

20

Polarizando-se a junção E-B diretamente com tensão VBE

n np

+-VBE

iB

Emissor Coletor

Base

21


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

22


+ -

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

23

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

24

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.

25

Analogamente, a junção B-C também comporta-se como uma junção p-n comum.

-+VCB VBC

n np p pn

Corrente de portadores minoritários

+-


Alargamento da região de depleção


26

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


+-




27

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.

28

Efeitos de se polarizar simultaneamente ambas as

junções

29

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

31


Reversamente condição de cut-offii. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas

Diretamente condição de saturação

32


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)

33

Operação É importante compreender quais são os efeitos de se polarizar simultaneamente ambas as junções.

34

i- Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente

35

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

36

Não é usada em operações lineares, tais como amplificadores.

N

N

P

+

-

-

+

Terminal de coletor

Terminal de emissor

37

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

38

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

39

ii - Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Diretamente

40

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

41

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

43

Comporta-se como um curto-circuito.

N

N

P

+

-

-

+

Terminal de coletor

Terminal de emissor

44

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

45

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


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.

47

-+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

48

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.

52

N NP

RE RC

+_ _ +

VBE VCB


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


iCiE

iB

54


Considere a junção J1 em polarização direta e a junção J2 em polarização reversa.

N NP

RE RC

+_ _ +

VBE VCB


ICIE

IB

55


Como a junção J1 está polarizada diretamente, não oferece barreira aos elétrons, que passam para a região P.

N NP

RE RC

+_ _ +

VBE VCB


ICIE

IB

56


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


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


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


ICIE

IB

59

A polarização direta na base de um transistor controla a quantidade de corrente que passa pelo circuito de coletor.


N NP

RE RC

+_ _ +

VBE VCB


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.


N NP

RE RC

+_ _ +

VBE VCB


ICIE

IB

61

Pode-se controlar a corrente C-B controlando-se a polarização E-B.


N NP

RE RC

+_ _ +

VBE VCB


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


Cut-off (corte) – no qual o transistor não tem nenhuma corrente de saída. (i- Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente)

84



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



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

Engineering

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