EN Dispositivos Eletrônicos

Transcrição

1 EN Dispositivos Eletrônicos Aula 5 Transistor Bipolar

2 Introdução Os dispositivos semicondutores de três terminais são muito mais utilizados que os de dois terminais (diodos) porque podem ser usados em várias aplicações, desde a amplificação de sinais até o projeto de circuitos digitais de memória. O princípio básico de operação é o uso de uma tensão entre dois terminais para controlar o fluxo de corrente no terceiro terminal. A tensão de controle pode ser também usada para fazer com que a corrente no terceiro terminal varie de zero até um valor significativo, comportando-se como uma chave, elemento básico de circuitos digitais. 2

3 Introdução Há 2 tipos principais de dispositivos de 3 terminais: o transistor bipolar de junção (TBJ) e o transistor de efeito de campo MOS (MOSFET). O transistor bipolar, geralmente chamado apenas transistor consiste em duas junções pn construídas de modo especial e conectadas em série e em oposição 3

4 História Em meados dos anos 40: Válvulas termiônicas: muito frágeis, caras e alto consumo de potência. Relés elétro-mecânicos: comutação muito lenta. Limitações destes dispositivos motivaram o reinício da pesquisa (Shockley) e desenvolvimento de novos dispositivos de estado sólido Bardeen e Brattain descobrem por acaso o efeito transistor bipolar. Teoria desenvolvida por Shockley. 4

5 História Shockley, Brattain e Bardeen (1947): transistor bipolar; Base de Ge tipo n Duas junções de contato tipo p na superfície 5

6 História 1952 I.Ross e G. Dacey demonstram primeiro transistor JFET Sony foi a primeira a fabricar um rádio totalmente transistorizado 1955 Shockley deixa a Bell Labs e funda sua própria empresa Shockley semiconductor Vale do Silício. Gordon Moore, Robert Noyce e Andrew Grove Fairchild (1957) Intel (1968) 6

7 História Havendo domínio de alguns processos de fabricação de transistores, surge o primeiro circuito integrado (CI) Kilby Texas Instruments (1958): circuito fabricado sobre um único bloco de Si, contendo um transistor, um capacitor e um resistor; 7

8 História 8

9 Transistores O transistor é um componente que possui 3 terminais e que apresenta diversas vantagens com relação as válvulas eletrônicas: 1. Tamanho muitas vezes inferior; 2. Peso muitas vezes inferior; 3. Não precisa de filamento; 4. Resistência a impactos elevada 5. Eficiência elevada por não possuir filamento e assim dissipar menos potencia; 6. Não necessita aquecer previamente pra funcionar; 7. As tensões de alimentação do componente são bem menores. 9

10 Transistor Bipolar de Junção 10

11 Transistor Bipolar de Junção Nos transistores o emissor é o mais fortemente dopado dentre os 3 elementos compositores dos transistores pois sua função no componente é emitir portadores de carga para a base. Nos transistores NPN a condução se dá por elétrons e nos transistores PNP a por lacunas. 11

12 Transistor Bipolar de Junção A base possui uma dopagem intermediária entre a existente no emissor e no coletor e a sua largura é bem menor se comparado aos demais componentes do transistor. Desta forma a maioria dos portadores que saem do emissor em direção a base, conseguem atravessá-la em direção ao coletor sem dificuldades. O coletor é levemente dopado e ele tem a função de receber os elétrons que atravessam a base. Ele é bem maior que as demais camadas do transistor pois é nele que ocorre a maior parte de potência dissipada. 12

13 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) Estrutura NPN Estrutura simplificada de um TBJ (três regiões semicondutoras) PNP 13

14 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) 14

15 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) Operação de um transistor NPN no modo ativo Duas fontes de tensão externas são usadas para estabelecer as condições de polarização para funcionamento no modo ativo: EBJ é diretamente polarizada e a CBJ é inversamente polarizada. 15

16 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) Operação de um transistor NPN no modo ativo Fluxo de corrente (apenas componentes de corrente por difusão são consideradas) - A Polarização direta da EBJ origina fluxo de corrente através da junção: Consiste em duas componentes: elétrons injetados do emissor para a base e lacunas injetadas da base para emissor. - A corrente que flúi através da EBJ constitui a corrente ie. Soma de duas componentes. - A componente de elétrons é muito maior de que a componentes de lacunas A corrente do emissor é dominada pela componente de elétrons 16

17 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) Corrente de Emissor Uma vez que a soma das correntes do transistor tem de ser nula (lei da corrente de Kirchhoff). Assim, de acordo com a figura abaixo, a corrente de emissor ie é igual à soma da corrente de coletor ic com a corrente de base ib, Substituindo i B da expressão abaixo na expressão acima: Tem-se:

18 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) Corrente de Emissor

19 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) Como se vê α é uma constante (para o transistor em questão) menor do que, mas muito próxima da unidade. Por exemplo, se β = 100, então α ~ 0,99. A expressão abaixo revela um fato importante: pequenas variações em α correspondem a grandes variações em β. Esta observação puramente matemática tem uma consequência física extraordinariamente relevante: transistores do mesmo tipo podem ter valores muito diferentes de β. Por razões que adiante serão evidentes, α chama-se ganho em corrente basecomum.

20 Resumo Foi apresentado um modelo de 1ª ordem para o funcionamento do transistor npn em modo ativo. Basicamente, a tensão de polarização direta vbe causa uma corrente de coletor ic exponencialmente dependente. Esta corrente é independente do valor da tensão de coletor desde que a junção base-coletor esteja inversamente polarizada, i.e., vcb 0. Assim, em modo ativo, o terminal do coletor comporta-se como uma fonte de corrente controlada ideal em que o valor da corrente é determinado por vbe. A corrente de base ib é um fator 1/β da corrente de coletor e a corrente de emissor é igual à soma das correntes de coletor e de base. Uma vez que ib é muito menor do que ic (i.e., β >> 1), ie ~ ic. Mais precisamente, a corrente de coletor é uma fracção α da corrente de emissor, com α menor, mas aproximadamente igual à unidade.

21 Transistor Bipolar de Junção (TBJ)

22 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) Representação

23 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) Polaridade e fluxo de corrente modo ativo

24 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) Exemplo: O transistor no circuito da figura (a) tem valor de =100 e exibe v BE = 0,7V Projete o circuito de modo que uma corrente de 2 ma circule pelo coletor e a tensão no coletor seja de 5V.

25 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) Exemplo: O transistor no circuito da figura (a) tem valor de =100 e exibe v BE = 0,7V Projete o circuito de modo que uma corrente de 2 ma circule pelo coletor e a tensão no coletor seja de 5V.

26 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) Ex.2: No circuito abaixo, a tensão no emissor foi medida como -0,7V. Se = 50, Calcule o valor de I E, I C, I B e V C.

27 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) Ex.3: No circuito abaixo, as medições indicam V B = 1,0 V e V E = 1,7V. Quais são os valores de e para esse transistor? Qual é o valor de V C no coletor?

28 Configuração Base-Comum (BC) PNP NPN

29 Configuração Base-Comum (BC) Curva característica de entrada ou de ponto de acionamento para um transistor amplificador de silício em base-comum.

30 Configuração Base-Comum (BC) Curva característica de entrada ou de ponto de acionamento para um transistor amplificador de silício em base-comum.

31 Configuração Base-Comum (BC) Curva característica de saída ou de coletor para um transistor amplificador em base comum.

32 Configuração Base-Comum (BC) No extremo inferior da curva, I E =0, e a corrente de coletor deve-se exclusivamente à corrente de saturação reversa I C0. A corrente I C0 é tão pequena que aparece como I C =0. Para transistores de baixa e média potência seu efeito pode ser ignorado. Para transistores de alta potência, o valor dessa corrente é da ordem de microamperes. Em temperaturas elevadas o efeito dessa corrente pode se tornar relevante, pois seu valor aumenta com a mesma.

33 Configuração Base-Comum (BC) Para valores de I E > 0 a corrente de coletor aumenta até o valor igual a corrente de emissor. Notar que V CB não tem influência no valor da corrente de coletor na região ativa. Em uma primeira aproximação, para região ativa (base-emissor diretamente, base-coletor reversamente): Quando o transistor estiver ligado: V BE = 0,7 V Na região de corte, ambas as junções estão polarizadas reversamente, consequentemente I c =0. Na região de saturação, base e emissor e base e coletor são polarizadas diretamente

34 Configuração Base-Comum (BC) Foi visto que: Pode-se escrever que, no modo cc: Onde I C e I E são os valores de corrente no ponto de operação. Valores típicos de alfa são 0,90 e 0,998 Quando for calcular o valor de I c, levar em consideração o valor de alfa e de corrente reversa. Assim, tem-se:

35 Configuração Base-Comum (BC) Para modo c.a. alfa é calculado por: para V CB constante. O Alfa c.a. é chamado normalmente de fator de amplificação, será visto mais adiante.

36 Configuração Base-Comum (BC) Os amplificadores configurados em base comum tem como característica principal fornecer um alto ganho de tensão.

37 Configuração Base-Comum (BC) RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS DO AMPLIFICADOR EM BC Ganho de corrente: unitário = 1 Ganho de tensão: alto, dezenas até centenas de vezes Impedância de entrada: baixa, dezenas de ohms Impedância de saída: alta, dezenas a centenas de kiloohms.

38 Configuração Base-Comum (BC) Ação amplificadora do Transistor (Exemplo) Dado o circuito abaixo, encontre o valor de amplificação da tensão na carga.

39 Configuração Base-Comum (BC) Ação amplificadora do Transistor (Exemplo) Dado o circuito abaixo, encontre o valor de amplificação da tensão na carga. Corrente na entrada:

40 Configuração Base-Comum (BC) Ação amplificadora do Transistor (Exemplo) Considerando que c.a. = 1 (I c =I E ) I L =I i = 10 ma Com isso, a amplificação de tensão, será: A v = 250

41 Configuração Emissor-Comum (EC) Configuração utilizada com mais frequência NPN PNP

42 Configuração Emissor-Comum (EC) Segue válido que I E = I c + I B e I C = I E (a) Curva característica de coletor (b) Curva característica de base

43 Configuração Emissor-Comum (EC) Valor de I B em microampères enquanto I C esta em miliamperes. A curva de I B não é tão horizontal quanto as obtidas para I E na configuração base comum. Tem-se a tensão coletor-emissor influencia na corrente de coletor. Na região ativa de um amplificador emissor-comum, a junção base coletor é polarizada reversamente, enquanto a junção base emissor é polarizada diretamente. Região de corte não é tão bem definida como na configuração de base comum?

44 Configuração Emissor-Comum (EC) Tem-se que:

45 Configuração Emissor-Comum (EC) Utilizando o valor de I B = 0 A (caso de corte) e substituindo o valor de = 0,996, tem-se: Se I CB0 fosse 1 A, a corrente de coletor com I B = 0 A, seria de 250 A Para I B = 0 A.

46 Configuração Emissor-Comum (EC) Beta ( ) : fator de amplificação de corrente direta em emissor comum. Os valores de I B e I C são determinados em pontos específicos da curva. CC nas folhas de dados, geralmente é dado como h FE. para V CE constante

47 Configuração Emissor-Comum (EC) Determinando ca através da curva caracteristica para V CE constante

48 Configuração Emissor-Comum (EC) Determinando cc através da curva característica no ponto Q

49 Configuração Emissor-Comum (EC) Se as curvas tivessem a aparência das apresentadas abaixo: para V CE constante

50 Configuração Emissor-Comum (EC) Corrente de Emissor

51 Configuração Emissor-Comum (EC)

52 Configuração Emissor-Comum (EC)

53 Configuração Emissor-Comum (EC) Os amplificadores configurados em emissor comum tem como característica principal fornecer um alto ganho de tensão e de corrente.

54 Configuração Emissor-Comum (EC) RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS DO AMPLIFICADOR EM EC Ganho de corrente: alto (dezenas de vezes) Ganho de tensão: alto (dezenas de vezes) Impedância de entrada: média-baixa, centenas de ohms Impedância de saída: alta, centenas até milhares de ohms.

55 Configuração Coletor-Comum (CC)

56 Configuração Coletor-Comum (CC)

57 Configuração Coletor-Comum (CC) Os amplificadores configurados em coletor comum, também são conhecidos como seguidor de emissor. É caracterizado por proporcionar alto ganho de corrente e ganho de tensão unitário.

58 Transistor Bipolar de Junção

59 Bibliografia R. L. BOYLESTAD, L. NASHELSKY, "Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos", Prentice-Hall, 8a Ed., Jacobus W. Swart Semicondutores, Fundamentos, técnicas e aplicações. Editora Unicamp. Jacobus W. Swart Materiais Elétricos Cap 08 Notas de Aula disciplina EE 530 Unicamp. Behzad Razavi Fundamentals of Microeletronics Cap. 2 59