Transistores Bipolares de Junção (TBJ) Parte I

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1 AULA 06 Transistores Bipolares de Junção (TBJ) Parte I Prof. Rodrigo Reina Muñoz rodrigo.munoz@ufabc.edu.br T1 2018

2 Conteúdo Transistores Bipolares Operação do Transistor Correntes no Transistor Curvas Características Especificações 2 2

3 Transistores TBJ Breve Histórico Entre 1904 e 1947: utilização de válvulas (equipamentos pesados e de baixo rendimento). Em 1947: Walter Brattain e John Bardeen demonstraram a função de amplificação do primeiro transistor nos laboratórios da Bell Telephone. A partir disto houve um gde. impacto na eletrônica, nas indústrias e na sociedade. A partir de então: - circuitos integrados; - componentes optoeletrônicos; - microprocessadores. - muitos outros... O transistor revisou a indústria dos computadores. Eles ocupavam uma sala inteira, mas agora cabem numa escrivaninha. 3 3

4 Transistores TBJ Construção Os Transistores Bipolares de Junção (TBJ) ou BJT (Bipolar Junction Transistors) são formados por cristais tipo-n e tipo-p formando estruturas npn ou pnp. Por exemplo, no npn o emissor é densamente dopado. Emissor é densamente (fortemente) dopado. Tem a função de emitir ou injetar elétrons na base. Base é levemente dopada e muito fina. Permite controlar a passagem dos elétrons do emissor até o coletor. Coletor tem dopagem intermediária. Coleta ou junta os elétrons que vêm da base. É a região mais extensa das três. Dissipa mais calor. 4 4

5 Transistores TBJ Construção Coletor: dopagem intermediária. Base: levemente dopada. Emissor: densamente dopada. 5 5

6 Transistores TBJ Funcionamento O termo bipolar deve-se ao fato que tanto elétrons quanto lacunas participam do processo de injeção de carga no material com polarização oposta (ver figura). caso só um tipo de portador for empregado, o dispositivo é unipolar. Há dois tipos: npn e pnp. A figura mostra as respectivas polarizações e símbolos. 6

7 Transistores TBJ Funcionamento A figura a seguir destaca a polarização de cada junção por separado: No primeiro caso, sem polarização do coletor, tem-se basicamente um diodo diretamente polarizado. No segundo caso, sem a polarização do emissor, tem-se um diodo reversamente polarizado. Fica claro a contribuição para a corrente em termos de portadores majoritários ou minoritários. Conclui-se, que para operação do TBJ uma junção é diretamente polarizada em quanto a outra é reversamente polarizada. 7

8 Transistores TBJ Funcionamento Polarizando ambas junções como na figura, tem-se um fluxo de portadores majoritários que entrará na região reversamente polarizada. Isso ocorre pois a região n (base) é muito fina e levemente dopada, o que significa um caminho de alta resistência (limita o número de portadores livres). A corrente de emissor é igual à soma das correntes de base e de coletor como sugere a figura (I E = I c + I B ). As correntes de emissor e de coletor são muito maiores que a corrente de base. A corrente de coletor é composta de portadores majoritários e de minoritários. A componente de minoritários é chamada de corrente de fuga I co (corrente I c com emissor aberto). I c = I c majoritário + I co minoritário 8

9 Transistores TBJ Configurações Base Comum A denominação base comum vem do fato do terminal de base ser comum para o circuito de entrada e o circuito de saída (terminal de base aterrado). Do circuito de entrada tem-se uma relação entre I E e V BE tendo como parâmetro a tensão V CB. Do circuito de saída tem-se uma relação entre I C e V CB tendo como parâmetro a corrente I E. 9

10 Transistores TBJ Configurações Base Comum Essas relações podem ser vistas de forma gráfica: Observam-se no circuito de saída três regiões de interesse: ativa, de corte e saturação. A região ativa é utilizada em aplicações de amplificação, tendo a junção B-E diretamente polarizada, enquanto a junção B-C reversamente polarizada. 10

11 Transistores TBJ Configurações Base Comum Na parte inferior da figura anterior, a corrente I E é zero (ver figura). Assim, I C é devida a I co. A notação em folhas de dados para esta corrente é I CBO (I CBO, sendo uma corrente de saturação reversa tem dependência com a temperatura). Se observa da figura que relaciona I C com V CB, que a corrente de coletor aumenta até ser igual à corrente de emissor, tal como previsto pela relação das correntes (I B 0 A). Assim, IC IE. Conclui-se também que na região de corte as junções B-E e B-C estão reversamente polarizadas. 11

12 Transistores TBJ Configurações Base Comum A região de saturação é definida na região em que V CB = 0V. Nessa região as junções B-E e B-C são polarizadas diretamente. Observa-se, na região ativa, que o aumento da tensão V CB não tem efeito sobre a corrente de coletor. Parâmetro α: Em análise cc, I c e I E são relacionados pelo parâmetro alfa dado por (Ic e I E são os valores do ponto de operação): αcc = I I c E Os valores de alfa tipicamente são próximos de α = 1. 12

13 Transistores TBJ Configurações Base Comum Com sinal ac aplicado, é definido o parâmetro alfa ca (fator de amplificação): α ca = I I c E V CB = constante Em muitos casos, alfa cc e alfa ca tem valores muito próximos. Amplificação do transistor Vi 200mV = Ii= = Ri 20 IE = 10mA I C I E, assim, I L I i = 10mA V L = I L * R = (10mA)(5kΩ) = 50V Voltage Gain (AV): Ganho de tensão relativamente alto, em quanto Av = V Vi L = 50V 200mV = 250 ganho de corrente sempre menor que 1 (I C = αi E sempre menor que 1). 13

14 Base Comum EN 2719 Dispositivos Eletrônicos Transistores TBJ Configurações A amplificação de corrente é produzida transferindo uma corrente I de um circuito de baixa resistência para um circuito de alta resistência. Daí o nome Transistor: transferência + resistor transistor 14

15 Correntes no Transistor A taxa da corrente da base para o coletor é conhecida como ganho de corrente (β DC ou h FE ). O ganho de corrente é tipicamente entre 100 e 300. Fluxo convencional Fluxo de elétrons I E = I C + I B I C I E I B << I C α dc = I C I E β dc = I C I B 15 15

16 Configuração Emissor Comum (EC) Emissor Comum Emissor cheio de elétrons livres. Quando V BE > 0,7 V, o emissor injeta esses elétrons na base. A base fina e pouco dopada permite que os elétrons consigam se difundir através da camada de depleção do coletor. A polarização reversa do diodo coletor empurra os elétrons para dentro do coletor, de onde fluem para a fonte de alimentação

17 Configuração Emissor Comum (EC) Emissor Comum Configuração mais utilizada Recebe esse nome pelo fato do emissor ser o terminal comum em relação aos terminais de entrada e saída (base e coletor). Características de entrada e saída 17

18 Emissor Comum Configuração Emissor Comum (EC) As relações de corrente continuam válidas: I E = I C + I B e I C = αi E Observa-se das características de saída que a tensão V CE tem influência na corrente de coletor (inclinação das características). A região à esquerda de V CE sat é a região de saturação. Na região ativa, a junção B C é polarizada reversamente, enquanto a região B E é polarizada diretamente (não difere do dito para a configuração base comum). Beta (β): β cc = I I c B Correntes definidas em um ponto específico de operação Tipicamente varia entre 50 a mais de 400 Nas folhas de dados, β é lido como h FE (h vem de circuito de parâmetros híbridos, e FE de amplificação de corrente direta (forward) e da configuração emissor comum. 18

19 Configuração Emissor Comum (EC) Emissor Comum Em análise ca, define-se um β ca (fator de amplificação de corrente direta em emissor comum): β ca = I I c B VCE = cons tan te Em folhas de dados, este parâmetro é chamado de h fe. 19

20 Correntes no Transistor Relação entre α CC e β CC Pela Lei de Kirchhoff para a corrente, tem-se: I = I + E C I B I I E C = 1+ I I B C 1 1 = 1+ α CC β CC β CC Exemplo: Considere α CC = 0,98. Qual o valor de β CC. Exemplo: Considere β CC = 100. Qual o valor de α CC. αcc = 1 α CC α CC = β β CC CC +1 Resp.: β CC = 49. Resp.: α CC = 0,

21 Curvas Características Configuração Emissor Comum Note que na família de curvas abaixo, para cada valor de I B é apresentado uma nova curva

22 Resumo Configuração emissor comum - Ativa (amplificação linear): a junção emissor-base está polarizada diretamente (V BE > 0,7 V) e a junção base-coletor está polarizada reversamente (V CB > 0). - Corte (chaveamento): as junções base-emissor e base-coletor estão polarizadas reversamente (V BE < 0,7 V ou V BE < 0 e V CB > 0). Neste caso I C = 0. - Saturação (chaveamento): as junções base-emissor e base-coletor são polarizadas diretamente (V BE > 0,7 V e V CB < 0). - Ruptura (danifica o transistor): V CB > V Ruptura Efeito Avalanche

23 Curvas Características Curvas de ganho de Corrente A uma temperatura fixa, β CC aumenta até um valor máximo quando a corrente do coletor aumenta

24 Configuração coletor Comum (EC) Coletor Comum Em esta configuração, o coletor é o terminal comum entre os circuitos de entrada e de saída. Utilizada principalmente para casamento de impedância pelo fato de ter alta impedância de entrada e baixa impedância de saída (oposto às configurações base comum e emissor comum). Não há necessidade de dispor de um conjunto de características pois podem ser utilizadas as mesmas de emissor comum. As curvas de saída correspondem a um gráfico de I E versus V EC tendo como parâmetro I B. 24

25 Especificações Potência A potência de um transistor pode ser calculada pela equação abaixo. P max = V D CE I C Exemplo: Se um 2N3940 tiver um VCE = 20 V e IC = 10 ma, determine a potência deste componente. Resp.: 200mW 25 25

26 Especificações Potência Os limites de operação do transistor não devem ser excedidos. Portanto, devem ser observadas as regiões de operação do transistor (ver figura): - Corrente máxima de coletor (I cmax ) - Tensão máxima coletor-emissor - V CE sat, que indica o valor mínimo de V CE sem cair na região de saturação - O valor máximo de dissipação de potência, já indicado como: P max = V D CE I C 26

27 Especificações Potência Sabendo que a dissipação máxima é de 300 mw, pode-se calcular a corrente de coletor ou a tensão V CE. Exemplo: Se I C = 50 ma, então V CE = 6V. Se V CE = 20V, então I C = 15 ma Se I C = 25 ma, então V CE = 12V Desta forma, a curva de dissipação de potência pode ser traçada para um determinado transistor. Ou ao contrario, conhecendo a curva, podem ser obtidos os pontos de corrente ou tensão necessários para a operação do transistor. 27

28 Especificações Potência Se a curva não estiver disponível, deve ser assegurado que I C, V CE ou o produto I C *V CE estejam nos intervalos seguintes: I CEO I C I cmax V CEsat V CE V CE max V CE* I C P Dmax 28

29 Exercícios 1) Calcule o ganho de corrente (β CC ) do circuito com transistor da figura abaixo. Considere VCE = 5,45 V. Resp.: β CC =

30 Exercícios 2) Como devem ser polarizadas as duas junções dos transistores para que ele opere adequadamente como amplificador? 3) Qual a origem da corrente de fuga de um transistor? 4) Esboce uma Figura semelhante à dos slides 10 e 11 para o fluxo dos portadores majoritários e minoritários de um transistor pnp. Descreva o movimento dos portadores resultante. Indique também o sentido das tensão aplicadas na polarização. 5) Qual das correntes do transistor é sempre a maior? Qual é sempre a menor? Quais são as duas correntes relativamente próximas em amplitude? 6) Justifique suas respostas no Exercício anterior. 7) Se a corrente de emissor de um transistor é de 8 ma e I B é 1/100 de I C, determine os valores I C e I B. 8) Quais são as regiões de operação de um TBJ e como podem ser obtidas? 30 30

31 Exercícios 9) (a) Dados α CC de 0,998, determine I C se I E = 4 ma. (b) Determine α CC se I E = 2,8 ma e I B = 20 µa. (c) Determine I E se I B = 40 µa e α CC for 0,98. 10) Usando a família de curvas características da Figura a seguir, determine I C para I B = 30 µa e V CE = 10 V