Eletrônica II Germano Maioli Penello gpenello@gmail.com http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/eletronica II _ 2015-1.html Aula 11 1
Transistor de junção bipolar Da mesma forma que vimos o MOSFET, apresentaremos agora o BJT Estrutura física Como a tensão entre dois terminais controla a corrente e qual a equação que descreve esta relação IxV Como analisar e projetar circuitos com BJT Como construir um amplificador linear Configurações de amplificadores Circuitos com componentes discretos. 2
BJT Inventado em 1948 na Bell Labs, deu início a era dos dispositivos de estado sólido. Por três décadas foi o dispositivo utilizado em circuitos discretos e integrados. Em torno de 1980, o MOSFET começa a ser um competidor a altura. Hoje em dia o MOSFET domina, ficando o BJT mais restrito a aplicações específicas, p.e., circuitos em condições extremas em aplicações automotivas, frequencias extremamentes altas, Tecnologia BiCMOS junta os dois tipos de transistores aproveitando a alta impedância de entrada e baixa dissipação do MOSFET com a alta frequência de operação e alta corrente do BJT 3
BJT estrutura física Três terminais: emissor (E), base (B) e coletor (C) Duas junções pn: Junção emissor-base (EBJ) Junção coletor-base (CBJ) Diferentemente do MOSFET, portadores de carga positivos e negativos são importantes na análise! Por isso termo bipolar no nome. npn pnp 4
BJT estrutura física Polarização das junções Duas junções pn: Junção emissor-base (EBJ) Junção coletor-base (CBJ) Ver modelo de Ebers-Moll A região ativa é utilizada para construit um amplificador As regiões de saturação (não confundir com o MOSFET!) e corte são utilizadas para chaveamento 5
BJT região ativa V BE polarização direta na junção EB V CB polarização reversa na junção CB 6
BJT região ativa V BE gera corrente na EBJ. Elétrons - emissor base Buracos (lacunas) - base emissor É desejável ter a corrente de elétrons maior que a de buracos. Dopagem do emissor > dopagem da base Note o sentido do fluxo de elétrons dentro do BJT e o sentido da corrente i E fora 7
BJT região ativa Elétrons na base (região p) são portadores minoritários! Portanto, eles recombinam gerando a corrente i B2, reduzindo a quantidade de elétrons na região da base (processo de recombinação). Elétrons injetados do emissor difundem através da base e são coletados na região à direita (coletor) Corrente de difusão 8
BJT região ativa Corrente de coletor A maioria dos elétrons injetados chegam a CBJ e são acelerados ao coletor, portanto I C = I n. onde ou I S = Corrente de saturação Note que a corrente I C não depende de V CB (apenas quando CBJ está diretamente polarizada) 9
BJT região ativa I S ~ 10-12 a 10-18 A (extremamente dependente da temperatura, dobrando a cada 5C) V T ~25 mev (@300K) I S é inversamente proporcional ao tamanho da base (W) e diretamente proporcional à área da EBJ. 10
BJT região ativa Corrente de base (duas componentes) h + injetados no emissor i B1 h + fornecidos para a recombinação i B2 i B = i B1 + i B2 Proporcional à corrente coletada: b é um parâmetro do transistor (50 ~200) Chamado de ganho de corrente de emissor comum 11
BJT região ativa Corrente de emissor Regra dos nós i E = i C + i B Ex: Se b = 100, a = 0.99 a é chamado de ganho de corrente de base comum 12
BJT estrutura física Visão em corte da estrutura física (simplificada) do bjt Coletor envolve o emissor para coletar o máximo de e -, fazedo com que a seja próximo de 1 e b seja alto O dispositivo não é simétrico 13
BJT Acompanhe a animação a partir de Diodoe/rectifier http://php.scripts.psu.edu/users/i/r/irh1/swf/semiconductors.swf 14
BJT símbolo e resumo da região ativa 15
Exemplo 16
Exemplo R C V BE R E 17
Exemplo R C V BE R E 18
Exemplo R C V BE R E Com i C = 1mA e v BE = 0.7V, calculamos I S Com I S e ic = 2mA, recalculamos V BE. 19
Exemplo R C V BE R E Com i C = 1mA e v BE = 0.7V, calculamos I S Com I S e ic = 2mA, recalculamos V BE. 20
Ativa Efeito Early B E 0,4V Sat Valores de tensão baixos (V CB < -0.4V), CBJ está polarizado diretamente e estamos na região de saturação. V CB > -0.4V, CBJ está polarizado reversamente e estamos na região ativa. Na região ativa, a corrente depende ligeiramente de v CE 21
Efeito Early Corrente de coletor desprezando o efeito Early Na região ativa, a corrente depende ligeiramente de v CE V A - ~10 a 100V (tensão Early) Também conhecido como efeito de modulação de largura de base Efeito similar foi analisado no MOSFET 22
Exercícios 23
Exercícios 24
Exercícios 1 Considerando o BJT na região ativa 2 25
Exercícios 1 Considerando o BJT na região ativa 2 1 em 2: 26
Exercícios 1 Considerando o BJT na região ativa 2 1 em 2: 27
Exercícios Tensão de coletor acima da base por 4.03 V (o transistor de fato está na região ativa) A consideração feita no início estava correta! 28
Exercícios V B = 4.57 V I RB2 = 4.57 / 50k = 0.09 ma I RB1 = I RB2 + I B = 0.103 ma 29
Exercício 30
Exercício Note que os dois transistores não conduzem simultaneamente. V BE Q1 = V EB Q2 Se EBJ de Q 1 está polarizado diretamente, EBJ de Q 2 está polarizado reversamente Neste caso, considerando que Q2 conduz (Q1 em corte): Corrente fluiria do R 1k para a base de Q 2. Portanto, a base estaria em um potencial negativo e a corrente fluiria da base para o potencial +5V, o que é um impossível! 31
Exercício Note que os dois transistores não conduzem simultaneamente. V BE Q1 = V EB Q2 Se EBJ de Q 1 está polarizado diretamente, EBJ de Q 2 está polarizado reversamente Neste caso, considerando que Q2 conduz (Q1 em corte): Corrente fluiria do R 1k para a base de Q 2. Portanto, a base estaria em um potencial negativo e a corrente fluiria da base para o potencial +5V, o que é um impossível! 32
Exercício Q2 está em corte e Q1 conduz: 5 10k x I B 0.7 1k x I E = 0 I B = 4.3/(10k + 101k) = 0.039 ma 33
Exercício 5 10k x I B 0.7 1k x I E = 0 I B = 4.3/(10k + 101k) = 0.039 ma I E = 0.039 x (101) = 3.9 ma V E = 3.9 m x 1k = 3.9V V B = 5 10k * 0.039 m = 4.61V 34
Exercício 5 10k x I B 0.7 1k x I E = 0 I B = 4.3/(10k + 101k) = 0.039 ma I E = 0.039 x (101) = 3.9 ma V E = 3.9 m x 1k = 3.9V V B = 5 10k * 0.039 m = 4.61V 35