Transistores. Figure 1. corrente de electrões num díodo de junção p-n

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1 Transistores O primeiro transistor (de junção) foi desenvolvido nos laboratórios Bell (EU) em O seu uso comercial, no entanto, deu-se muito mais tarde. Os primeiros transístores de junção eram de Ge e só mais tarde passaram a ser de Si. Mais tarde ainda, foram desenvolvidos outros transistores com características semelhante superiores. As grandes vantagens dos transístores consistiam no seu baixo consumo e nas suas reduzidas dimensões quando comparados com os outros elementos amplificadores. As baixas tensões necessárias na alimentação possibilitaram o fabrico em série de aparelhos portáteis. Como funcionam os transistores de junção? O funcionamento dos transístores de junção tem por base as propriedades dos semicondutores. Qualquer material só é condutor na medida em que tem electrões livres. O Si tem poucos electrões livres à temperatura ambiente. No entanto a dopagem transforma-o num material com maior possibilidade de condução (como vimos atrás). Figure 1. corrente de electrões num díodo de junção p-n Como se vê na figura (ver capítulo anterior) uma junção de materiais de tipo p e de tipo n constitui um díodo rectificador. Um transistor bipolar de junção consiste em 3 regiões de semiconductor dopado. Uma pequena corrente no centro (base) pode ser usada para controlar uma corrente grande entre as duas regiões extremas (emissor e colector). O dispositivo pode ser caracterizado como sendo um amplificador de corrente. A figura representa um transístor pnp. O facto de haver duas junções está na origem da designação transístor bipolar. Figure 2. Consituição de um transistor PNP

2 De facto é uma sanduíche de 2 materiais de tipo p com uma camada (normalmente fina) de material de tipo n no meio. Ou seja são dois díodos p-n de costas um para o outro. Se se aplicar uma tensão positiva ao lado 1 (que se designa emissor) a corrente passa através da junção p-n com as lacunas a deslocarem-se para a direita e os electrões para a esquerda. Algumas das lacunas que se deslocam para a direita (tipo n) recombinam-se com electrões. Se se aplicar uma tensão negativa ao colector, normalmente não haverá corrente MAS há agora lacunas adicionais na junção que podem deslocar-se até 2 e também electrões que podem deslocar-se para 1 de modo que pode haver corrente, embora a polarização, em principio, o impeça. Pode provar-se que a maior parte da corrente flúi entre os pontos 1 e 2. De facto a amplitude da corrente num transístor é determinada principalmente pela corrente de emissor que por sua vez é determinada pela corrente que vai para a base do transístor. É uma espécie de manípulo de uma torneira. Amplificação de um transistor Como a corrente de colector Ic (em que a tensão é relativamente alta) é mais ou menos igual à corrente de emissor I E (α= Ic/I E = 0.99) e também é controlada pela corrente de emissor (onde a tensão é muito mais baixa), Ic=β I B a amplificação de corrente é dada por β=α/(α-1). Transístores de junção Falámos de um transístor p-n-p. A única diferença entre este e um transístor npn é na localização dos materiais de tipo n e p e, consequentemente, na polarização. Um transístor npn de Si necessita de 0.65 V para ligar. Transistor como amplificador de corrente A corrente de colector é proporcional à corrente de base de acordo com ou mais precisamente é proporcional à tensão base-emissor. A corrente de base, apesar de menor, controla a corrente de colector.

3 Estrutura de um transístor. Limitações à operação de um transístor. Operação de transistores Em funcionamento, im transístor bipolar de junção está necessariamente numa de 3 condições 1. Cut off (corrente de colector 0), serve de interruptor aberto. 2. Na região activa (alguma corrente de colector, tensão base emissor algumas décimas de volt), serve de amplificador 3. Em saturação (colector algumas décimas de volt acima do emissor), elevada corrente, serve de interruptor fechado

4 Determinação da corrente de colector A tensão base-emissor pode ser considerada como a variável de controle na acção do transístor. A corrente de colector está relacionada com esta tensão pela relação de Ebers-moll (ou eq. de Shockley): Em que: T = temperatura absoluta, k = constante de Boltzmann e e = carga do electrão. A corrente de saturação é característica de cada transistor (embora dependa da temperatura). Esta relação é válida para uma gama grande de tensões e correntes. Uma outra relação importante é em que é o ganho de corrente. O valor de não é muito fiável porque depende de, e da temperatura. Detalhes da junção base-emissor Algumas regras empíricas que ajudam a compreender o comportamento dos transistores: 1. Uma tensão de base emissor de cerca de 0.6 V coloca o díodo baseemissor à condução. Essa tensão varia muito pouco (< +/- 0.1V) na região activa do transístor, podendo, no entanto fazer variar a corrente de base de um factor de 10 ou mais. 2. Um aumento na tensão de base-emissor da ordem de 60 mv fará aumentar a corrente de colector de cerca de um factor de A resistência AC série do emissor é de cerca de 25/ ohms. 4. A tensão de base emissor é dependente da temperatura, diminuindo cerca de 2.1 mv/ºc 5. A tensão base emissor varia ligeiramente com a tensão colector emissor para corrente de colector ( ) constante:.

5 Acção do transístor Regiões de um transistor Corrente de colector A operação normal de um transistor resulta numa corrente de colector-emissor que é cerca de 99% da corrente total. O factor de proporcionalidade pode ter valores de 20 a 200 e não é uma constante mesmo para um dado transístor. Aumenta para grandes correntes de emissor porque o grande número de electrões injectados na base excede o número de lacunas disponível para recombinação de modo que a fracção que recombina para produzir a corrente de base diminui ainda mais.

6 Uso do ganho de corrente Qualquer circuito que dependa de um determinado valor do ganho de corrente é um mau circuito porque esse valor varia de transistor para transistor (mesmo que do mesmo tipo) e até no mesmo transístor. Transístor de efeito de campo (JFET junction field effect transístor) Neste tipo de transístor a base emissor e colector tomam o nome gate, source e drain. Nas aplicações normais o defeito do transistor de junção é a baixa impedância de entrada porque a base do transistor é a entrada do sinal e o díodo base-emissor está polarizado directamente. Há um outro dispositivo que actua como um transistor mas no qual a junção do díodo da entrada está polarizada inversamente. É o chamado transístor de efeito de campo ou junction field effect transístor, JFET. Com a junção de entrada polarizada inversamente tem uma muito elevada impedância de entrada. A elevada impedância de entrada minimiza a interferência com a fonte de sinal quando é feita uma medida. Para um FET de canal n, temos uma barra de material de tipo n onde é implantada uma gate de tipo p. Entre a source e drain, a gate funciona como uma resistência. A corrente é constituída pelos transportadores maioritários (electrões no material de tipo n). Como a junção de gate é polarizada inversamente e como não há contribuição de transportadores minoritários para a corrente, a impedância de entrada é muito elevada.

7 Curvas características do JFET A figura mostra as curvas características do JFET. Para um dado valor de tensão de gate, a corrente é aproximadamente constante numa gama grande de tensões source to drain. O elemento de controlo do JFET vem da depleção de transportadores do canal de tipo n. Quando a gate fica mais negativa, afasta os transportadores maioritários de uma zona maior em torno da gate. Isto reduz a corrente para um dado valor de tensão source-to-drain. A tensão de gate controla, então a corrente através do dispositivo. A curva de transferência do JFET é importante para visualizar o ganho e identificar a região de linearidade. O ganho é proporcional ao declive da curva de transferência. O valor da corrente IDSS representa o valor quando a gate é curto-circuitada, a corrente máxima do dispositivo. Este valor é fornecido pelo fabricante. A tensão de gate para a qual a corrente é 0 é designada por "pinch voltage", VP. A linha a tracejado que representa o ganho na região linear de operação intersecta a linha de corrente 0 a aproximadamente meio da pinch voltage. Bibliografia L.Cuesta, A.G.Padilla, F.Remiro, Electrónica Analógica, Schaum, 1992 Horowitz, Paul and Hill, Winfred,The Art of Electronics, Cambridge University Press, 1980, 2nd Ed 1989 Malvino, Electrónica volume 1, McGraw-Hill, 1984

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