Analogica I BJT

Universidade Federal de Itajubá

Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação Engenharia da Computação

ELT303 – Eletrônica Analógica I

Transistores Bipolares

(Introdução)

Universidade Federal de Itajubá

Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação Engenharia da Computação

Atenção

O material constante destas notas de aula foi preparado com base na bibliografia recomendada e destina-se a servir como um apoio ao

acompanhamento da disciplina.

Em alguns slides são utilizados recursos coletados da INTERNET e considerados de domínio público.

Transistores Bipolares: Introdução

Os transistores bipolares são dispositivos de 3 terminais que podem atuar tanto em circuitos analógicos (normalmente que envolvem a amplificação do sinal) quanto em circuitos digitais. Pelo fato de apresentar um terminal adicional em relação aos diodos, por exemplo, oferecem um mecanismo que permite controlar

a corrente entre dois terminais a partir de um terminal de controle. Podem ser fabricados como dispositivos discretos ou fazer parte de um circuito integrado que pode conter até milhares destes elementos. Os conceitos desenvolvidos para

a junção PN serão fundamentais para a análise deste dispositivo. Desenvolvido por Bardeen, Brattain e Shockley em 1947 representou uma grande revolução

na indústria eletrônica. Os conceitos aqui analisados e desenvolvidos são muito importantes por servirem de base (ainda que de forma qualitativa) de estudo para

um outro grupo de dispositivos que também provocaram um grande impacto na indústria eletrônica que são os Transistores de Efeito de Campo (FETs).

Transistores Bipolares: Estrutura e Modos de Operação

A figura a seguir ilustra, de forma simplificada, a estrutura de um transistor bipolar. Algumas literaturas referem-se a este dispositivo como Transistor Bipolar de Junção

(BJT – Bipolar Junction Transistor).

John Bardeen (1908-1991)

Walter Houser Brattain (1902-1987)

Os terminais são nominados de Emissor, Base e

Coletor. Observar que as dopagens e os tamanhos dos cristais são diferentes e que existem duas

junções PN; junção Base-Emissor (J_BE) e

Junção Base-Coletor (J_BC). N+ P- N Emissor Coletor Base J_BC J_BE (E) (C) (B)

Transistores Bipolares: Estrutura e Modos de Operação

A região do Emissor é fortemente dopada (N+_{) enquanto} que a região da Base e fisicamente estreita e fracamente

dopada (P-_{). O Coletor é a região que apresenta o maior} volume de silício e tem uma dopagem típica.

Os terminais conectam-se a estas regiões através de

contatos ôhmicos. O dispositivo ilustrado anteriormente é dito ser NPN em função do tipo de dopagem dos seus

cristais. Também existe a possibilidade de fazer um transistor do tipo PNP. As diferenças entre eles serão discorridas ao longo do texto. Para efeito de análise das características elétricas será considerado o transistor NPN.

A junção J_BE também é chamada de diodo emissor e a junção J_BC de diodo coletor.

“The only regret I have about the transistor is its use for rock and roll “ W. H. Brattain

Primeiro Transistor (1947)

The Point-Contact Transistor

The first point-contact transistor consisted of a germanium crystal placed on a metal plate. The germanium was of n-type with a so-called p-type inversion layer. Pressing down on this

crystal was a plastic wedge, which was kept in place by a modified paper clip. On this wedge a thin gold foil, cut in two halves with a razor blade, had been cemented. The slit

Transistores Bipolares: Estrutura e Modos de Operação

Existem 4 possibilidades de polarização (Modos de Operação ou Regiões de Operação) considerando-se as junções J_BE e J_BC.

Regiões de Operação do BJT Modo de Operação J_BE (Diodo Emissor) J_BC (Diodo Coletor)

Saturação Direta Direta

Corte Reversa Reversa

Ativa ou Linear Direta Reversa

Inverso Reversa Direta

Em circuitos analógicos (principalmente em amplificadores) a região ativa é a mais usada. Em circuitos digitais o transistor opera no corte ou saturação passando

rapidamente através da região ativa. O modo inverso é o menos usual de todos. Observar que estando na região de corte, o transistor tem 2 junções polarizadas reversamente o que significa, idealmente, uma chave aberta. Já na região de saturação

ele tem 2 junções polarizadas diretamente o que representa, também idealmente, uma chave fechada. Existem transistores de sinal (baixa potência) e transistores de potência.

Chave Fechada Chave Aberta

Aplicações Digitais Aplicações Analógicas

Transistores Bipolares: Polarização

Inicialmente, será estabelecido uma topologia que permita a polarização do transistor na região ativa. Para tanto estão representadas duas fontes de tensão (V_EE

e V_CC) que podem ser equivalentes Thévenin de circuitos mais complexos.

Mais adiante serão detalhados circuitos específicos que tem a responsabilidade de polarizar o transistor para que ele atue na região de interesse. A presença de

resistores nos terminais de Emissor e Coletor faz com que se tenha algum tipo de

limitação de corrente. Os sentidos das correntes ilustrados no circuito externo (I_E,

I_C e I_B) é convencional. Na estrutura do transistor, as setas em azul indicam o fluxo de elétrons e as setas em vermelho de lacunas.

E I_EN I_EP I_CBO I_REC + -+ -V_CC V_EE C B I_C I_E I_B I_EN - I_REC X

Transistores Bipolares: A Ação Transistor

Como conseqüência da polarização direta da J_BE (a largura da região de depleção foi diminuída), elétrons são difundidos do Emissor para a Base (corrente I_EN – ilustra o movimento real dos elétrons) e lacunas são difundidas

da Base para o Emissor (I_EP – ilustra o movimento real das lacunas). Existe, então uma corrente de Emissor (I_E – no terminal correspondente) que será a

soma destas duas correntes.

Maior atenção deve ser dada a corrente I_EN. Ao penetrar na Base estes elétrons encontram uma região P em que os portadores majoritários são lacunas e,

portanto, deverão sofrer um processo de recombinação. Contudo, esta recombinação é pequena porque a Base é fracamente dopada e, além disto, é

fisicamente estreita. Esta pequena corrente é chamada de corrente de

recombinação (I_REC) e contribuirá para a corrente total da Base (I_B – no terminal correspondente).

Capturados pelo campo elétrico presente na J_BC (a largura da região de depleção foi aumentada) os elétrons são acelerados em direção ao coletor. Juntamente com a corrente reversa (I_CBO) presente nesta junção irão compor a corrente de

Coletor (I_C – no terminal correspondente). .

Transistores Bipolares: A Ação Transistor

Matematicamente, estas correntes podem ser expressas:

X) (ponto I I I KCL: por I I I I I I I I I I I C B E CBO REC EP B CBO REC EN C EP EN E         

 Algumas aproximações podem ser feitas. Como

o Emissor é fortemente dopado e a Base fracamente dopada tem-se que I_EN >> I_EP.





O parâmetro a_DC quantifica a quantidade de portadores que, emitidos do emissor,

efetivamente chegaram ao coletor. Portanto, é um número menor que 1. Tipicamente entre

0,95 e 0,998.

Além disto, I_CBO e I_REC são correntes com ordens de grandeza muito pequenas se comparadas com as outras correntes e aproximações adicionais podem

ser feitas. O objetivo final é manter os

equacionamentos apenas em função das correntes nos terminais.





Transistores Bipolares: A Ação Transistor

Os resultados das equações anteriores estão em consonância com os aspectos físicos da ação transistor, ou seja, o fluxo de corrente produzido no Emissor chega

praticamente em sua totalidade ao Coletor. Para a ação transistor ser efetiva é fundamental que a base seja estreita e pouco dopada. Esta ação seria impossível de

ser alcançada se, no laboratório, se unissem, por exemplo, dois diodos. Mesmo estando “próximos” um do outro, esta distância ainda seria muito maior que a largura

da Base (W_B) de um transistor. W_B, na prática, situa-se na casa de algumas unidades a algumas dezenas de mm. Com uma largura de Base muito grande haveria uma

grande probabilidade para que os portadores emitidos pelo Emissor se recombinassem em sua totalidade. Esta corrente, praticamente constante, é

transferida de um circuito de baixa resistência (J_BE polarizada diretamente) para um circuito de alta resistência (J_BC polarizada reversamente). Justifica-se, assim o nome:

TRANFER RESISTOR = TRANSISTOR

Transistor

"small electronic device," 1948, from transfer + resistor, so called because it transfers an electrical current across a resistor. Said to have been coined by U.S. electrical engineer John Robinson Pierce

(1910-2002) of Bell Telephone Laboratories, Murray Hill, N.J., where the device was invented in 1947. It that took over many functions of the vacuum tube. Transistor radio is first recorded 1958.

Transistores Bipolares: Porque I

Sem polarização em J_BE e medindo-se a corrente de coletor (I_C) o que se verifica é uma “corrente entre coletor e base com o

emissor aberto (open)”, ou seja, a própria

corrente reversa que está sendo produzida na J_BC. Daí o termo I_CBO.

Lembrar que, por se tratar de uma corrente reversa, ela aproximadamente dobra de

valor para cada 100_{C de aumento na} temperatura. Para transistores de sinal seu

valor é da ordem de nA.

E I_CBO + -+ -V_CC V_EE C B I_C =I_CBO I_E I_B X "OPEN" Avaliação de I_CBO

Transistores Bipolares: O Parâmetro

b

É mais comum expressar uma relação entre as correntes I_C e I_B. Esta relação nos dá a idéia que o dispositivo tem a sua corrente de Coletor (que é praticamente igual a corrente de Emissor) controlada pela corrente de Base. Veja que o terminal

de controle (Base) consome pouca corrente e é capaz de interferir em uma corrente muito maior. Pensando em uma função de transferência, a corrente de Coletor é considerada uma grandeza de saída e a corrente de Base uma grandeza

de entrada.

B DC

C β I

I  Naturalmente, o parâmetro bDC mantém uma dependência matemática com o parâmetro a_DC uma vez que equacionam

correntes que interagem entre si:

Relação entre os parâmetros a_DC e b_DC















 Se a_DC varia, tipicamente, entre 0,95

e 0,998, então b_DC varia, tipicamente, entre 20 e 500. Também pode aparecer na literatura como b_F e nas folhas de dados como

Transistores Bipolares: Outras Considerações Importantes

 Os terminais recebem os nomes de acordo com a função que a respectiva região realiza. O terminal do Emissor representa a região responsável pela emissão dos portadores majoritários que irão constituir a corrente I_E. O terminal doColetor representa a região que recebeu (coletou) estes portadores. A Base, por sua vez, tem seu nome relacionado com os primeiros dispositivos que foram construídos. Esta região servia como um suporte (uma base) para as outras duas regiões.

 Os aspectos qualitativos aqui descritos são aplicados ao transistor PNP. Basta inverter os sentidos das correntes e das tensões, pois, fisicamente, a corrente de transferência entre Emissor e Coletor passa a ser uma corrente de lacunas.

 O nome bipolar sugere que na operação do dispositivo estão envolvidos, obrigatoriamente, os dois tipos de portadores de carga presentes nos materiais semicondutores (elétrons e lacunas).

 O material semicondutor mais utilizado na fabricação dos transistores bipolares é o silício.

Os sentidos das correntes são convencionais e as diferenças de potencial indicam a condição de operação na região ativa. J_BE está polarizada diretamente (para o NPN

a Base é mais positiva que o Emissor e para o PNP a Base é mais negativa que o Emissor). J_BC está polarizada reversamente (para o NPN o Coletor é mais positivo que a Base e para o PNP o Coletor é mais negativo que a Base). V_CE (V_EC) sempre

será a soma destas duas tensões.

Observar que a seta presente que representa o terminal do Emissor é um indicativo do fluxo de corrente convencional nesta região. No NPN indica um fluxo de elétrons

do Emissor para a Base e no PNP um fluxo de lacunas do Emissor para a Base.

Transistores Bipolares: Simbologia

IE IB IC VCE + _ + _ + _ VBE V_CB IE = IC + IB VCE = VBE + VCB I_E IB I_C VEC _ + _ + _ + V_EB VBC I_E = I_C + I_B VEC = VEB + VBC

Transistores Bipolares: Encapsulamento

Diferentes tipos de Encapsulamento para os Transistores Bipolares

Curiosidade

Em Dezembro de 2007 foi comemorado o aniversario de 60 anos da invenção do transistor. Em 23 de Dezembro de 1947 o primeiro transistor foi colocado em funcionamento, sendo considerado como o marco-zero de todas as tecnologias atuais. Com o desenvolvimento do transistor foi possível substituir de uma maneira eficiente os dispositivos eletromecânicos e as válvulas eletrônicas, até então empregadas na fabricação de equipamentos. Isto foi viável graças aos avanços proporcionados pela física moderna, em particular pela formulação da mecânica quântica e o posterior desenvolvimento da chamada física do estado sólido,

que possibilitou a compreensão dos processos envolvidos no transporte de cargas elétricas em materiais semicondutores. Os responsáveis por tal feito foram John Bardeen, Willam Shockley e Walter Brattain, que trabalhavam nos Laboratórios da Bell Company (Murray Hill, NJ USA), sendo agraciados com o premio Nobel de Física em 1956. O físico John Bardeen, que foi aluno de

Eugene Wigner (Nobel em Física 1963), foi também um dos responsáveis pelo desenvolvimento da teoria da supercondutividade (BCS) sendo novamente agraciado com o premio Nobel de Física em 1972, juntamente com seu orientando John Schrieffer e seu colaborador Leon Cooper, enquanto trabalhava na Universidade de Illinois. Outro estudante ilustre de Bardeen foi Nick Holonyak,

Transistores Bipolares: Curvas Características

Por ser um dispositivo de três terminais, o transistor bipolar apresenta uma série de combinações envolvendo as suas correntes e potenciais.

Para o projetista, as relações mais importantes são as citadas a seguir, ou seja, as características de entrada e de saída em Emissor Comum.

A configuração Emissor Comum (EC) caracteriza-se por ter o terminal do Emissor comum às

malhas de entrada e de saída.

I_B I_E I_C V_BE V_CB + -+ -+ + -+ -V_CC V_BB V_CE R_B R_C

I

II

 

 

Transistores Bipolares: Curvas Características

Na configuração Emissor Comum tem-se uma grandeza de saída (I_C) controlada por uma grandeza de entrada (I_B) sendo a relação entre elas o parâmetro b.

Em outras palavras, o transistor bipolar é uma fonte de corrente controlada por corrente: I_C = b.I_B

As características mais importantes dizem respeito à malha de entrada (I) e à malha de saída da configuração Emissor Comum (I).

Para a malha de entrada tem-se as Características de Entrada e para a malha de saída tem-se as Características de Saída ( também chamadas de curvas de coletor). Para se traçar estas curvas características, é necessário um critério em manter uma terceira variável constante. Nas curvas de entrada mantém-se V_CE constante e, nas

curvas de saída, I_B constante. Matematicamente:

 

 

0V 0.2V 0.4V 0.6V 0.8V 1.0V 0A I_B V_BE V_CE = 20V V_CE = 10V V_CE = 1V 20A 40A 60A 80A 100A

Transistores Bipolares: Característica de Entrada

A seguir estão reproduzidas as curvas de entrada para um transistor bipolar de sinal (baixa potência). O nível de corrente da Base é de algumas dezenas de A.

Observar que, em uma primeira aproximação, a tensão necessária para “ligar” o diodo emissor (junção J_BE) é de aproximadamente 700mV (BJT de silício) e que o

impacto da variação na tensão V_CE pode ser desprezado. Muito semelhante a uma curva característica de um diodo semicondutor.

Característica de Entrada: I_B=f(V_BE)|V_CE=cte

Atenção: Algumas folhas de dados colocam I_C no eixo y ao invés de I_B. Lembrar que a relação entre elas é β_DC, o

que implica em mudar apenas a ordem de grandeza das correntes.

0V 5V 10V 15V 20V 0A 2mA 4mA 6mA 8mA 10mA 12mA I_C V_CE I_B = 0 A I_B = 10 A I_B = 20 A I_B = 30 A I_B = 40 A I_B = 50 A Região de Saturação VCE ≈ 0 Região Ativa ou Linear V_BE 0,7V I_C = b.I_B Região de Corte IC ≈ 0 =

Transistores Bipolares: Curvas de Coletor

As curvas de coletor também estão traçadas para um BJT de sinal. Observar a ordem de grandeza da corrente de coletor em dezenas de mA (podendo chegar a centenas

de mA) e a tensão V_CE em dezenas de V. Destacam-se os modos de operação.

Curvas Características: Exemplos (BC546)

Atenção: Característica de Entrada (I_C=f(V_BE)) em escala

LOG para o eixo das correntes.

Curvas Características: Observações Importantes

As curvas de I_C na Região Ativa apresentam uma inclinação crescente à medida em que V_CE aumenta. Este efeito é chamado “Efeito Early” e é discutido mais a seguir;

A Região de Saturação caracteriza-se por apresentar V_CE próximo de zero (junções

J_BE e J_BC polarizadas diretamente). Assim, em uma primeira aproximação, o transistor saturado será uma chave fechada entre Coletor e Emissor. Usa-se a

notação V_CE(SAT) para a tensão de saturação. Seu valor prático é da ordem de dezenas a centenas de mV;

A Região de Corte caracteriza-se por apresentar I_C próximo de zero (junções J_BE e J_BC polarizadas reversamente). Será, portanto, uma chave aberta entre Coletor e

Emissor;

Na Região Ativa (junção J_BE polarizada diretamente e junção J_BC polarizada reversamente), o comportamento do transistor é de uma fonte de corrente

Curvas de Coletor: Corrente I

Estando o transistor cortado, I_C deveria ser zero. Contudo é necessário incluir a contribuição da corrente reversa I_CBO. Existe um fenômeno multiplicativo desta corrente

na configuração Emissor Comum e ela passa a ser I_CEO (corrente entre Coletor e Emissor com a Base aberta). Seu valor situa-se na faixa de algumas unidades a dezenas

de mA para transistores de sinal.













Equacionamento para I_CEO

Estrutura Real de um Transistor de Potência. Observar a ordem de grandeza das estruturas (micrometros).

O Coletor do transistor atua como uma fonte de corrente real, ou seja, existe uma resistência interna associada (R_O). Por se tratar de uma fonte de corrente,

o valor de R_O normalmente é alto (dezenas a centenas de KW). A inclusão deste resistor torna o modelamento

das curvas de coletor mais preciso. Observar que se V_CE aumenta, temos uma contribuição adicional de corrente em I_C através do caminho oferecido por R_O.

Curvas de Coletor: O Efeito Early

Estando o transistor polarizado na região ativa (J_BE polarizada diretamente e J_BC reversamente) tem-se V_BE  0,7V. Então, V_CB = V_CE – 0,7V.

Aumentar a tensão V_CE significa, então, aumentar a tensão V_CB e como conseqüência aumentar a largura da região de depleção da J_BC. Como a Base é fisicamente estreita,

um aumento da largura da região de depleção fará com que a largura efetiva da Base diminua. Tendo diminuído a largura efetiva da Base, tem-se uma menor

probabilidade de recombinação para os portadores que estão vindo do Emissor e, como conseqüência, um maior número deles atinge o Coletor.

Se um maior número de portadores atinge o Coletor, I_C aumenta. Portanto de V_CE aumenta, I_C aumenta.

V_BE 0,7V I_B I_C b_DC.I_B I_E +

-Transistor na Região Linear (Modelo de Ebers-Moll) J_BE "ON" J_BC "OFF" Transistor no Corte J_BE "OFF" J_BC "OFF" Transistor na Saturação J_BE "ON" J_BC "ON" V_BE 0,7V I_B I_C I_E + -V_CB 0,7V + -V_CE 0 IB I_C 0 I_E

Modos de Operação: Modelos Simplificados

Com base no que foi exposto até agora é possível estabelecer modelos elétricos (usando elementos de circuitos) para as regiões de operação do BJT. As regiões de

saturação e corte são modeladas através de chaves enquanto a região ativa é representada por um diodo semicondutor (diodo emissor) e por uma fonte de

corrente. O modelo na região ativa recebe o nome de Ebers-Moll.

Modelo de Ebers-Moll Completo e Efeito do Encapsulamento

Apenas a título de informação adicional, a seguir estão o modelo de Ebers-Moll mais completo (incluindo outros efeitos como, por exemplo, capacitivos) e os

elementos parasitas que aparecem devido ao encapsulamento do dispositivo.

O fato do transistor estar operando dentro dos limites da SOA significa que ele pode estar no corte, na saturação ou na região ativa. A região de operação vai depender da

polarização de J e J .

Ao se desenvolver um projeto com transistores bipolares (principalmente em aplicações de potência), três limites devem ser observados:

A máxima corrente de Coletor (I_CMAX)_;

A máxima diferença de potencial entre Coletor e Emissor (BV_CEO, V_CEMAX)_; Potência dissipada máxima (P_DMAX)

Estes limites estão todos relacionados com a temperatura máxima que as junções podem trabalhar. No caso de I_CMAX e P_DMAX este conceito é bem evidente. Para V_CEMAX o que ocorre é que ao se aumentar V_CE também está se aumentando V_CB (transistor polarizado no corte ou na região ativa) e pode-se alcançar a tensão de

ruptura da junção Base-Coletor. No caso de P_DMAX é possível desenvolver uma equação que descreva esta dissipação.

Transistor Bipolar: Valores Limites e Hipérbole de Potência





Denomina-se a relação P_D = I_C.V_CE de Hipérbole de Potência, pois se trata de uma equação do tipo x.y = constante, ou seja, uma hipérbole. Os limites (I_CMAX, V_CEMAX e P_DMAX) quando

colocados no plano I_CxV_CE vão definir uma região denominada de Safe Operating Area

(área de operação segura: SOA, SOAr) que representa os pares de pontos (I_C,V_CE) em que o transistor está operando sem exceder a sua capacidade máxima de dissipar potência.

Transistor Bipolar: Valores Limites e Hipérbole de Potência

Hipérbole de Potência (eixos lineares)

Hipérbole de Potência (eixos log)

Hipérbole de Potência: Exemplo 2N3055 (transistor de potência)

Observar a presença do fenômeno do

Second Breakdown.

The second breakdown is the most complicated failure mechanism, it involves the

Transistor Bipolar em Circuito Integrado

e com estrutura interdigital (multi-fingers)

Vantagens:

Diminuição da resistência Base-Emissor; Diminuição do Ruído Térmico gerado no

componente;

Possibilidade de aplicações que exijam maior capacidade de manipulação de

Adendo 1: Folha de Dados (Parâmetro β

)

A família BC54X representa transistores de uso geral, podendo ser usados e amplificadores e circuitos de

chaveamento.

Observar que o parâmetro β_DC (h_FE – “DC Current Gain”) depende do nível de corrente de coletor e da temperatura. São disponíveis em três grupos distintos

(A, B e C).