Transistor BJT FABRÍCIO RONALDO - DORIVAL

Transcrição

1 Transistor BJT FABRÍCIO RONALDO - DORIVAL

2 Construção Transistor Bipolar de Junção (BJT) Construção análoga à do diodo. No diodo, junta-se semicondutores do tipo P e N, com mesmo nível de dopagem. Temos dois tipos de combinação para formar o BJT: Junção de materiais do tip P, N, e P Junção de materiais do tipo N, P e N

3 Construção P N P N P N

4 Construção P N P EMISSOR N P N

5 Construção P N P BASE N P N

6 Construção P N P COLETOR N P N

7 Construção Emissor Material fortemente dopado. Base Material levemente dopado (resistência alta). Largura 150 menor do que a largura do transistor. Coletor Material moderadamente dopado. Importante Diferentes dopagens para os materiais do transistor.

8 Operação (pnp) P N P V EE Com tensão V EE aplicada na junção base-emissor, Polarização direta. Redução da zona de depleção na junção p-n. fluxo de portadores majoritários.

9 Operação (pnp) P N P V EE Com tensão V EE aplicada na junção base-emissor, Polarização direta. Redução da zona de depleção na junção p-n. fluxo de portadores majoritários.

10 Operação (pnp) P N P V CC Com tensão V CC aplicada na junção coletor-base, Polarização reversa. Aumento da zona de depleção na junção p-n. fluxo de portadores minoritários.

11 Operação (pnp) P N P V CC Com tensão V CC aplicada na junção coletor-base, Polarização reversa. Aumento da zona de depleção na junção p-n. fluxo de portadores minoritários. Tal fluxo depende da temperatura.

12 Operação (pnp) P N P V EE V CC Polarização: Direta na junção base-emissor Reversa na junção coletor-base

13 Operação (pnp) P N P i E V EE ib V CC i E corrente no emissor Induzida pela polarização direta i B corrente na base Pela baixa dopagem, parte dos portadores majoritários do emissor seguem pela base (ordem de μa)

14 Operação (pnp) P N P i E V EE ib V CC i C i C corrente no coletor Parcela devida aos portadores minoritários (i CO ) Parcela devido aos portadores majoritários da junção emissor-base, que se tornam minoritários para a junção base-coletor (i C-majoritários ).

15 Operação (pnp) P N P i E V EE ib V CC i C i C corrente no coletor Injeção de minoritários no material de base. i C = i CO + i C-majoritários Lei das correntes: i E = i C + i B

16 Operação (npn) N P N i E V EE ib V CC i C i C = i CO + i C-majoritários Lei das correntes: i E = i C + i B

17 Os transistores BJT operam sempre que: Junção base-emissor é polarizada diretamente. Junção coletor-base é polarizada reversamente. E BC547A C E BC557A C B B NPN PNP

18 Configurações Analisaremos configurações-padrão com BJT São circuitos cujo comportamento foi analisado experimentalmente. Conceito de entrada e saída do transistor. Entrada Seção do circuito na qual tensão e/ou corrente são exigidos para ativação (ou não) do transistor. Saída Seção do circuito na qual tensão e/ou corrente são obtidos a partir da ativação (ou não) do transistor.

19 Configurações Base-comum Emissor-comum Coletor-comum O termo comum refere-se a qual terminal do transistor é comum às suas seções de entrada e de saída.

20 Base comum BC557A BC547A VEE VCC VEE VCC 0 0

21 Base comum BC557A BC547A VEE VCC VEE VCC 0 0 Seção de excitação ou Seção de entrada ou Seção de ativação (lembre-se de que polarizamos diretamente a junção base-emissor)

22 Base comum BC557A BC547A VEE VCC VEE VCC 0 0 Seção de Saída (lembre-se de que polarizamos reversamente a junção coletor-base)

23 Base comum Corrente do emissor Tensão da junção base-emissor.

24 Base comum Tensões abaixo de um patamar não polarizam diretamente a junção base-emissor (v BE ). Semelhante ao diodo. Independente da tensão na junção coletor-base. Desde que (v CB >0) veremos a seguir. Corrente no emissor (i E ) é forçada a zero. A partir desse patamar, a corrente sofre leve influência da tensão na junção coletor-base (v CB ). Geralmente, podemos assumir v BE =0,7 como tensão para ligar o transistor.

25 Base comum Corrente do emissor Tensão da junção base-emissor.

26 Base comum Corrente do coletor Tensão da junção coletor-base.

27 Base comum Situações observadas: Quando A junção base-emissor é polarizada diretamente (v BE >0) A junção coletor-base é polarizada diretamente (v CB <0), Então Qualquer pequena variação positiva de v BE provoca aumento exponencial da corrente no coletor (i C ) Temos então a saturação do transistor. Resistência nula na junção virtual emissor-coletor.

28 Região de Saturação BJT Base comum Corrente do coletor Tensão da junção coletor-base.

29 Base comum Situações observadas: Quando A junção base-emissor é polarizada reversamente (v BE 0) A junção coletor-base é polarizada reversamente (v CB 0), Então Não temos fluxo de portadores majoritários (i C-majoritários =0) Apenas fluxo de portadores minoritários (i CBO = i CO >0) Lembre-se... i CO é da ordem de μa i CBO corrente em CB quando E é aberto. Temos então o corte do transistor. Resistência elevada na junção virtual coletor-emissor.

30 Base comum BC557A BC547A i CBO i CBO VEE VCC VEE VCC 0 0

31 Base comum Corrente do coletor Tensão da junção coletor-base. Região de Corte

32 Base comum Situações observadas: Quando A junção base-emissor é polarizada diretamente (v BE >0) A junção coletor-base é polarizada reversamente (v CB 0), Então Temos fluxo de portadores majoritários e minoritários Temos então o transistor está operacional Pode funcionar como amplificador.

33 Base comum Corrente do coletor Tensão da junção coletor-base. Região de operação

34 Na região de operação, notamos: Similaridade entre i C e i E. Na prática temos: α DC = i C-majoritários /i E O índice DC refere-se a valor de A definido em um ponto da curva na região de operação. α AC = Δi C-majoritários /Δi E O índice AC refere-se a variação de I C em relação a I E em um ponto da curva na região de operação (para um v CB específico).

35 Na região de operação, notamos: Ou seja: i C = αi E + i CO Geralmente α DC = α AC = α Lembrando que: Lei das correntes: i E = i C + i B i E i C Então: (para efeitos de análise): i B zero

36 Emissor comum VBB BC557A VCC VBB BC547A VCC 0 0

37 Emissor comum VBB BC557A VCC VBB BC547A VCC 0 0 Seção de excitação ou Seção de entrada ou Seção de ativação (lembre-se de que polarizamos diretamente a junção base-emissor)

38 Emissor comum VBB BC557A VCC VBB BC547A VCC 0 0 Seção de Saída (lembre-se de que polarizamos reversamente a junção coletor-base através da tensão coletor-emissor)

39 Emissor comum Corrente da base Tensão da junção base-emissor.

40 Emissor comum Tensões abaixo de um patamar não polarizam diretamente a junção base-emissor (v BE ). Semelhante ao diodo. Independente da tensão na junção coletor-emissor. Desde que (v CE >0) veremos a seguir. Corrente na base (i B ) é forçada a quase zero. A partir desse patamar, a corrente sofre influência da tensão na junção coletor-emissor (v CE ). Geralmente, podemos assumir v BE =0,7 como tensão para ligar o transistor.

41 Emissor comum Corrente da base Tensão da junção base-emissor.

42 Emissor comum Corrente do coletor Tensão da junção coletor-emissor.

43 Emissor comum Situações observadas: Quando A junção base-emissor é polarizada diretamente (v BE >0) A junção coletor-base é polarizada diretamente (v CB <0), Assim Alguma tensão resultante sobre v CE produz polarização reversa na junção coletor-base (lei das tensões). Tensão V CE-sat Tensão de saturação entre coletor e emissor.

44 Emissor comum Situações observadas: Então Qualquer pequena variação positiva de v BE provoca aumento exponencial da corrente no coletor (i C ) Temos então a saturação do transistor. Resistência nula na junção virtual coletor-emissor.

45 Região de Saturação BJT Emissor comum Corrente do coletor Tensão da junção coletor-emissor.

46 Emissor comum Situações observadas: Quando a corrente na base é zero, temos uma corrente não-nula no coletor. Temos que i C = α i E + i CO = α (i C + i B ) + i CO Rearranjando: i C = [α i B / (1 - α)] + [i CO / (1 - α)] Para a situação de i B = zero: i C = i CO / (1 - α) Considere um α = 0,996 i C = 250 i CO Definiremos então a grandeza i CEO = i CO / (1 α) ou i CEO = i C para i B = zero. i CEO depende da temperatura pois i CO comporta-se assim.

47 Emissor comum Situações observadas: Quando A junção base-emissor é polarizada reversamente (v BE 0) A junção coletor-base é polarizada reversamente (v CB 0), Temos então o corte do transistor. Resistência elevada na junção virtual coletor-emissor.

48 Emissor comum BC557A BC547A VBB i CEO VCC VBB i CEO VCC 0 0

49 Emissor comum Corrente do coletor Tensão da junção coletor-emissor. Região de Corte

50 Emissor comum Situações observadas: Quando A junção base-emissor é polarizada diretamente (v BE >0) A junção coletor-base é polarizada reversamente (v CB 0), Então Temos fluxo de portadores majoritários e minoritários Temos então o transistor está operacional Pode funcionar como amplificador.

51 Emissor comum Corrente do coletor Tensão da junção coletor-emissor. Região de operação

52 Na região de operação, notamos: Há relação entre i C e i B. Na prática temos: β DC = i C /i B O índice DC refere-se a valor de A definido em um ponto da curva na região de operação. β AC = Δi C /Δi B O índice AC refere-se a variação de I C em relação a I E em um ponto da curva na região de operação (para um v CE específico).

53 Na região de operação, notamos: β DC = h FE (em folha de dados) β AC = h fe (em folha de dados) São fatores de amplificação de corrente direta em emissor comum. Termo h vem do modelo híbrido do transistor (estudá-lo-emos depois). Termos fe e FE são forward current in common-emissor configuration h FE é obtido da curva a partir do ponto de operação Q. h fe é obtido da curva a partir do intervalo de variação em torno de Q.

54 Emissor comum Calcule h fe e h FE para i B = 25 μa e v CE = 7,5V.

55 Na região de operação, notamos: β DC β AC por causa de i CEO zero Se i CEO = zero β DC = β AC. Considere que as curvas i C v CE para diversos i B s. Assumindo que na região de operação elas são retas... Projetando essas retas na direção de v CE negativos... Essas retas interceptarão a abscissa em um ponto v A. Esse ponto é chamado tensão de Early É um parâmetro do transistor (folha de dados) Da ordem de -50 a -100V.

56 Na região de operação, notamos: As curvas i C v CE possuem uma inclinação Resistência intrínseca na saída do emissor-comum. r o = [ i C / v CE ] -1 para um v BE específico.

57 Na região de operação, notamos: Primeiramente, relacionando α e β i E = i C + i B i C / α = i C + i C / β α = β / (β + 1) ou β = α / (1 α) Isso implica em: i CEO = (β + 1) i CBO i E = (β + 1) i B Essas são relações importantes para análise de circuitos com transistores.

58 Coletor comum BC557A VEE BC547A VEE VBB VBB 0 0

59 Coletor comum BC557A VEE BC547A VEE VBB VBB 0 0 Seção de excitação ou Seção de entrada ou Seção de ativação (lembre-se de que polarizamos diretamente a junção base-emissor através da tensão emissor-coletor)

60 Coletor comum BC557A VEE BC547A VEE VBB VBB 0 0 Seção de Saída (lembre-se de que polarizamos reversamente a junção coletor-base)

61 Coletor comum As curvas de comportamento são aproximadamente as mesmas do emissor comum. Entrada: i B v BE para diferentes valores de v EC s v BE é determinado pela diferença entre v EE e v CC. Saída: i E v EC para diferentes valores de i B s E não v CE. Como é i E e não i C, haverá pequena diferença devido a α. i C = α i E. Se α fosse 1, as curvas de saída das configurações emissor-comum e coletor-comum seriam iguais.

62 Limites de operação Condições para o transistor não queimar: Corrente máxima no coletor (i C-max ) Tensão máxima coletor-emissor (v CE-max ) breakdown v (br)ce Potência máxima de dissipação (P C-max ) P C-max = v CE i C Contidas na folha de dados do transistor.