Transistores Bipolares de Junção Parte I Transistores Bipolares de Junção (TBJs) Parte I

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1 Transstores Bpolares de Junção (TBJs) Parte I apítulo 4 de (SEDRA e SMITH, 1996). SUMÁRIO Introdução 4.1. Estrutura Físca e Modos de Operação 4.2. Operação do Transstor npn no Modo Atvo 4.3. O Transstor pnp 4.4. Símbolos para rcutos e onvenções 4.5. Representação Gráfca das aracterístcas do Transstor 4.6. Análse cc de rcutos com Transstores INTRODUÇÃO Os dspostvos semcondutores de três termnas são muto mas utlzados que os de dos termnas (dodos) porque podem ser usados em váras aplcações, desde a amplfcação de snas até o projeto de crcutos dgtas de memóra. O prncípo básco de operação é o uso de uma tensão entre dos termnas para controlar o fluxo de corrente no tercero termnal. A tensão de controle pode ser também usada para fazer com que a corrente no tercero termnal vare de zero até um valor sgnfcatvo, comportando-se como uma chave, elemento básco de crcutos dgtas. Há 2 tpos prncpas de dspostvos de 3 termnas: o transstor bpolar de junção (TBJ) e o transstor de efeto de campo (FET). O transstor bpolar, geralmente chamado apenas transstor consste em duas junções pn construídas de modo especal e conectadas em sére e em oposção. 1/11

2 4.1. ESTRUTURA FÍSIA E MODOS DE OPERAÇÃO O TBJ consttu-se de 3 regões semcondutoras: o emssor (E), a base (B) e o coletor (), cada um lgado a um termnal metálco para acesso externo. No transstor npn a base é do tpo p e as outras regões são do tpo n. No transstor pnp, a base é do tpo n e as outras regões são do tpo p. [Fgura 4.1 págna 209] [Fgura 4.2 págna 209] O transstor consste em duas junções pn, a junção emssor-base (JEB) e a junção coletor-base (JB). Dependendo da condção de polarzação de cada junção, são obtdos dferentes modos de operação para o transstor. JEB JB MODO Reversa Reversa ORTE Dreta Reversa ATIVO Dreta Dreta SATURAÇÃO 2/11

3 4.2. OPERAÇÃO DO TRANSISTOR npn NO MODO ATIVO [Fgura 4.3 págna 210] O Fluxo de orrente As correntes de derva devdas aos portadores mnortáros gerados termcamente são pequenas e desprezadas na análse. A polarzação dreta da junção emssor-base fará com que uma corrente crcule pela junção composta de 2 componentes: elétrons njetados no emssor e lacunas njetadas na base. A componente de elétrons é muto maor que a de lacunas, sto é obtdo usando-se um emssor fortemente dopado e uma base levemente dopada e bem estreta. O fato da base ser muto estreta faz com que os elétrons njetados na base se dfundam (corrente de dfusão) em dreção ao coletor. No camnho, alguns elétrons que estão se dfundndo através da regão da base se recombnam com as lacunas (portadores majortáros na base), mas como ela é muto estreta e fracamente dopada, a porcentagem de elétrons perddos por recombnação é muto pequena. 3/11

4 A orrente de oletor A maora dos elétrons que se dfundem alcançará a regão de depleção coletorbase. Pelo fato do coletor ser mas postvo que a base, esses elétrons serão arremessados através da regão de depleção para o coletor, consttundo a corrente de coletor = I S e VT Observe que o valor de ndepende de v B. A corrente de saturação I S é nversamente proporconal à largura da base e dretamente proporconal à área de JEB, dobrando a cada 5º de aumento de temperatura. A orrente de Base A corrente de base pode ser representada por uma parcela de tal que B = β IS = e β A constante β, denomnada ganho de corrente de emssor comum, é um dos parâmetros característcos de um transstor. Para transstores modernos, β fca na faxa de 100 a 200, podendo chegar a 1000 em dspostvos especas. VT A orrente de Emssor É a soma da corrente de coletor com a corrente de base. Defne-se E = + B β + 1 = β β α = α E, onde α = ou β =. β α 4/11

5 Observe que se β = 100, então α 0, 99. α é chamado de ganho de corrente em base comum. Modelos Equvalentes [Fgura 4.5 págna 216] rcutos equvalentes ao TBJ npn no modo atvo o Fonte de corrente controlada pela tensão v BE. o Fonte de corrente controlada pela corrente E. o Fonte de corrente controlada pela tensão v BE. o Fonte de corrente controlada pela corrente B. A onstante n (fator de dealdade) Na equação do dodo, a constante n possu valor entre 1 e 2. 5/11

6 No TBJ, a constante n é próxma de 1, exceto em correntes muto altas ou muto baxas, em que possu um valor próxmo a 2. onsdera-se nas análses que n=1, salvo seja ctado. A orrente Reversa de oletor-base (I BO ) orrente reversa assocada a portadores mnortáros gerados termcamente. I BO crcula do coletor para a base com o emssor em aberto (Open) e está na faxa de na. ontém uma componente de fuga substancal e seu valor vara com v B. Depende muto da temperatura (dobra a cada 10º de aumento de temperatura). A Estrutura de Transstores Reas Seção transversal de um TBJ npn. [Fgura 4.6 págna 217] 6/11

7 4.3. O TRANSISTOR pnp Fluxo de corrente de um transstor pnp polarzado para operar no modo atvo. [Fgura 4.7 págna 218] Dos modelos para grandes snas para o transstor pnp operando no modo atvo. [Fgura 4.8 págna 219] 7/11

8 4.4. SÍMBOLOS PARA IRUITOS E ONVENÇÕES Smbologa para os transstores npn e pnp. Polardades das tensões e fluxos de corrente para os transstores polarzados no modo atvo. [Fgura 4.10 págna 221] Transstor na regão atva v BE > 0 e v B > 0 para o npn v EB > 0 e v B > 0 para o pnp = I S e = α VT E IS V T IS V B = = e T E = = e β β (para o transstor pnp trocar por v EB e v B ) β α α B = E = + B α β kt β = α = V T = 25mV 1 α β + 1 q Exemplo 4.1, págna 222. Exercícos 4.8 e 4.9, págna /11

9 4.5. REPRESENTAÇÃO GRÁFIA DAS ARATERÍSTIAS DO TRANSISTOR A curva característca x v BE é uma exponencal e quase dêntca à característca x v do dodo de junção, pos S VT = I e. Para v BE menor que aproxmadamente 0,5V, a corrente é desprezível. Em operação normal v BE stua-se na faxa de 0,6 a 0,8V. omo os dodos de slíco, a tensão v BE dmnu cerca de 2mV para cada 1º de aumento de temperatura. A fgura 4.14 mostra as curvas x v B de um transstor npn para város valores da corrente de emssor E no modo atvo (v B 0V). [Fgura 4.14 págna 225] 9/11

10 Dependênca de I com a Tensão de oletor (característca x v E ) [Fgura 4.15 págna 226] Para valores baxos de v E, a tensão de coletor é menor que a tensão de base e a junção coletor-base fca dretamente polarzada (modo de saturação). Na regão atva, as curvas característcas são retas com uma nclnação fnta que se encontram num ponto -V A na parte negatva do exo v E. A tensão V A é um parâmetro chamado tensão Early e possu valores típcos de 50 a 100V. Para um dado valor de v BE, ao se aumentar v E, aumenta-se a tensão de polarzação reversa sobre a junção coletor-base e, portanto, aumenta-se a largura da camada de depleção. Isso dmnu a largura efetva da base, fazendo com que I S e aumentem proporconalmente, sto é, v BE = V v T + E IS e 1 VA. 10/11

11 A nclnação dferente de zero das retas na característca x v E na regão atva é modelada por uma resstênca de saída r O fnta e defnda por 1 O. ve r Para v BE constante, tem-se V r A O =. I Esse efeto não é normalmente usado em projetos e análses de polarzação cc, mas pode ter um efeto sgnfcatvo sobre o ganho de amplfcadores transstorzados ANÁLISE cc DE IRUITOS OM TRANSISTORES Utlza-se o modelo smplfcado de tensão constante (= 0,7V), ndependente do valor exato da corrente, de forma semelhante ao usado no dodo de junção. Exemplos 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, 4.7, 4.8. Exercícos 4.13, 4.14, 4.15, 4.16, 4.17, 4.18, 4.19 e REFERÊNIAS SEDRA, Adel S. e SMITH, Kenneth S. apítulo 3 Dodos, em Mcroeletrônca. 4a. Edção. Makron Books Ltda, São Paulo, MALVINO, Albert Paul. Eletrônca Volume 1. McGraw-Hll, São Paulo, /11