Aula 05 - Transistores bipolares de juncao

Eletrônica Básica e Instrumentação

ELT008

Prof. Vinícius Valamiel

vvalamiel@gmail.com

https://sites.google.com/site/vvalamiel

Transparências: Prof. Tálita S. P. Sono

Prof. Tiago de Sá Ferreira

TRANSISTORES BIPOLARES DE

JUNÇÃO

Aula 5

2 ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção

Transistores Bipolares



Dispositivo semicondutor que consiste em:



Duas camadas de material n e uma camada do tipo p; ou



Duas camadas do tipo p e uma camada do tipo n



Dispositivo de três terminais e duas junções.

ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção 4

Transistor NPN

Transistor PNP

Transistores Bipolares



Três terminais



Emissor



Base



Coletor

Transistores Bipolares



Três terminais



Emissor



Base



Coletor

Transistores Bipolares



Três terminais



Emissor (emissor de portadores majoritários)



Base



Coletor

OPERAÇÃO DOS TRANSISTORES

BIPOLARES

Operação dos Transistores Bipolares



A camada de

emissor (E)

é fortemente dopada.



A camada de

base (B)

é menos dopada

(menor condutividade, o que

limita o número de portadores livres).

Operação do transistor PNP



A operação básica de um transistor npn é exatamente a mesma de

um transistor pnp trocando-se as funções das lacunas e elétrons.

ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção 10

- Sem a polarização

base-coletor esta situação é

semelhante a de um diodo

diretamente polarizado

- Região da camada de

depleção tem a largura

reduzida

- Fluxo denso de portadores

majoritários do material do tipo

Operação do transistor PNP



A operação básica de um transistor npn é exatamente a mesma de

um transistor pnp trocando-se as funções das lacunas e elétrons

- Sem a polarização

base-emissor esta situação é

semelhante a de um diodo

reversamente polarizado.

- Região da camada de depleção

tem a largura aumentada

- Fluxo de portadores majoritários

é zero resultando em apenas no

Operação do transistor PNP



Com a polarização direta da junção base-emissor e reversa

da junção base-coletor o transistor estará no modo de

operação ativo

ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção 12

Muitos portadores majoritários

vão se difundir no material do

tipo n (lacunas) através da

junção p-n polarizada

diretamente.

Material do tipo n interno é muito

fino e tem baixa condutividade

(pouco dopado), um número baixo

destes portadores (lacunas) irão

Correntes no Transistor PNP



A corrente de coletor possui dois componentes: os portadores

majoritários e os minoritários.



O componente de corrente de portadores minoritários é chamado de

corrente de fuga (I

_CO

– corrente de coletor com o emissor em aberto).

I

_E

= I

_C

+ I

_B

Porque bipolares?



Bipolar sugere que na operação do dispositivo estão

envolvidos, obrigatoriamente, os dois tipos de portadores

de carga



Elétrons; e



Lacunas.

ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção 14

Modo de operação



Os dois diodos formados em um transistor são conhecidos

como:



Junção entre Base e Emissor (

J

_BE

) →

Diodo Emissor



Junção entre Base e Coletor (

J

_BC

) →

Diodo Coletor



Cada um destes diodos pode ser polarizado de duas formas

distintas:



Direta ou reversa; e



Dependendo da polarização se tem os

modos de operação (ou

regiões de operação)

do dispositivo.

Faço um transistor com dois diodos?



Para a ação do transistor é fundamental que a base seja

fina e pouco dopada.



Esta ação seria impossível de ser alcançada se, por exemplo, se

unissem 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 (atualmente existem larguras na faixa de

angstrons - 10

-10

_m).

Modo de operação

Modo de Operação

J

(Diodo Emissor)

J

(Diodo Coletor)

Saturação

Direta

Direta

Corte

Reversa

Reversa

Ativa

Direta

Reversa

Inverso

Reversa

Direta

Mais usada em

circuitos analógicos

Modo de operação



Regiões de corte e saturação



Usadas em circuitos digitais (sinais binásio – on/off)



Transistor opera no corte ou saturação passando rapidamente

através da região ativa.



_{Observar as condições para o uso em circuitos digitais:}



Saturação

 Transistor tem as duas junções polarizadas diretamente

 Curto circuito entre coletor e emissor.

 Transistor saturado é uma chave fechada



Corte

 Transistor tem as duas junções polarizadas reversamente

 Circuito aberto entre coletor e emissor

 Transistor cortado é uma chave aberta

Simbologia

ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção 20

I

I

I

V

V

V

+

-+

-+

I

I

I

V

V

V

-+

-+

+

-Transistor NPN

Transistor PNP

I

= I

+ I

V

= V

+ V

I

= I

+ I

V

= V

+ V

Os sentidos das correntes são convencionais

As diferenças de potencial indicam a condição de operação na região ativa. J

está polarizada

diretamente (

NPN

a Base é mais positiva que o Emissor e

PNP

a Base é mais negativa que o Emissor).

J

está polarizada reversamente (

NPN

o Coletor é mais positivo que a Base e

PNP

o Coletor é mais negativo que a Base).

Configuração em base comum



Base é comum tanto na entrada como na saída da configuração



Tipicamente, o terminal de base estará mais próximo do potencial de terra (0V)



Para descrever o comportamento de um dispositivo de três terminais,

são necessários dois conjuntos de características:



Ponto de acionamento ou parâmetros de entrada; e



Parâmetros de saída.

ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção 22

Parâmetros de entrada



Relaciona uma corrente de entrada (I

_E

) com uma tensão de entrada

(V

_BE

) para diversos valores de tensão de saída (V

_CB

).



Para valores fixos de V

_CB

o aumento da tensão base-emissor (V

_BE

)

aumenta I

_E

, lembrando a curva de um diodo



Valores crescentes de V

_CB

têm um

efeito pequeno sobre as curvas

características

Parâmetros de entrada



As curvas características podem ser desenhadas

como abaixo.

ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção 24

Primeira

Aproximação

Modelo Linear

com resistência

_{sem resistência}

Modelo Linear

Para o transistor

“ligado”, a tensão

base-emissor

será considerada

Parâmetros de saída



Relaciona uma corrente de saída (I

_C

) com uma tensão de saída (V

_CB

)

para diversos valores de corrente de entrada (I

_E

).



Três regiões de interesse:



Ativa



Corte



Saturação

I

= I

Junções BE e BC

Parâmetros de saída



Relaciona uma corrente de saída (I

_C

) com uma tensão de saída (V

_CB

)

para diversos valores de corrente de entrada (I

_E

).



Três regiões de interesse:



Ativa



Corte



Saturação

ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção 26

I

= I

Junções BE e BC

polarizadas reversamente

Parâmetros de saída

Região empregada para

amplificadores lineares.

Em uma primeira

aproximação: I

≈ I

(V

tem efeito quase

desprezível)



Relaciona uma corrente de saída (I

_C

) com uma tensão de saída (V

_CB

)

para diversos valores de corrente de entrada (I

_E

).



Três regiões de interesse:



Ativa



Corte

Parâmetros de saída

ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção 28



Relaciona uma corrente de saída (I

_C

) com uma tensão de saída (V

_CB

)

para diversos valores de corrente de entrada (I

_E

).



Três regiões de interesse:



Ativa



Corte



Saturação

Aumento exponencial da

corrente de coletor à

medida que a tensão V

aumenta em direção a 0 V.

Junções BE e BC

polarizadas diretamente

Exemplo



Qual o valor de V

_BE

se I

_C

= 4 mA e V

_CB

= 20 V?

I

= 4 mA

Alfa (α) e Polarização



No modo cc, os valores de I

_C

e I

_E

, devidos aos portadores

majoritários, são relacionados por uma quantidade

chamada alfa e definida como:



α

_cc

= I

_C

/I

_E

(com alfa entre 0,90 e 0,998)



Como alfa é definido exclusivamente para portadores

majoritários:

I

_C

= α·I

_E

+ I

_CBO



Em situações com sinal ca, em que o ponto de operação se

move sobre a curva característica, um alfa ca é definido

por:



α

_ca

= ΔI

_C

/ΔI

_E

para um V

_CE

constante



Na maioria dos casos, os valores de

α

_cc

e

α

_ca

são bem

próximos, permitindo a substituição de um pelo outro.

Alfa (α) e Polarização



A polarização adequada da configuração base-comum na região ativa

pode ser determinada utilizando-se a aproximação I

_C

≈ I

_E

e

presumindo-se, por enquanto, que I

_B

≈ 0 μA.



As fontes cc são inseridas com uma polaridade semelhante ao

sentido da corrente resultante.

O EFEITO DA AMPLIFICAÇÃO

ΔV ΔI₂

ΔI₁

Ação amplificadora do transistor

Valor da resistência

de entrada é

bastante pequena e

varia de 10 a 100 Ω

(utilizamos como

exemplo 20 Ω).

Valor da resistência

de saída é bastante

alta e varia de 5 kΩ a

1 MΩ.

Ação amplificadora do transistor

A diferença das resistências deve-se

à junção polarizada diretamente na

entrada (base para emissor) e à

junção polarizada reversamente na

saída (base para coletor)

I

= V

/R

= (200 mV)/(20 Ω) = 10 mA

Considerando

α

= 1 → I

= I

I

= 10 mA

V

= I

·R = (10 mA)·(5 KΩ)

V

= 50 V

Taxa de a

A

= V

/V

= (50 V)/(200 mV)

A

_V

= 250

Ação amplificadora do transistor



A operação básica de amplificação foi produzida transferindo-se uma

corrente I de um circuito de baixa resistência para um circuito de alta

resistência.



Justifica-se assim o nome

TRAN

SFERÊNCIA + RE

SISTOR

→

Característica BaseComum

As relações de corrente desenvolvidas anteriormente para a configuração

base-comum são aplicáveis na configuração emissor-comum:

I

= I

+ I

e

I

= α·I

ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção 38

Configuração Emissor-Comum

A configuração Emissor-Comum é a configuração mais utilizada, e o emissor

é comum em relação aos terminais de entrada e saída.

Transistor NPN

Transistor PNP

Dois conjuntos de características são

necessários para descrever

totalmente o comportamento da

configuração emissor-comum:

• Características para o circuito de

entrada (ou base-emissor);

• Características para o circuito de

saída (ou coletor-emissor).

Parâmetros de entrada

A característica de entrada é definida pela corrente de entrada (I

) versus a

tensão de entrada (V

) para uma faixa de tensão de saída (V

)

As curvas características para a entrada podem ser

aproximadas da mesma maneira que ocorreu com a

configuração base-comum

Para o transistor no

estado “ligado”, a

tensão base-emissor é

Parâmetros de saída

A característica de saída é definida pela corrente de saída (I

) versus a

tensão de saída (V

) para uma faixa de corrente de entrada (I

)

I

está em μA e I

em mA

Na região ativa de um amplificador

emissor-comum, a junção

base-coletor é polarizada reversamente

e a

junção

base-emissor é polarizada

diretamente.

A região ativa da

configuração

emissor-comum

pode ser utilizada

para a amplificação

de tensão, corrente

ou potência

As curvas de I

não são tão

horizontais quanto as obtidas para

I

na configuração base-comum.

Isso ocorre porque a tensão coletor

emissor influencia o valor da

corrente de coletor. Este fenômeno

é denominado de

efeito Early

.

Efeito Early



O efeito Early, resumidamente, tem as seguintes

consequências:



Estando o transistor polarizado na região ativa tem-se V

≈ 0,7V.



Aumentar a tensão V

_CE

significa aumentar

a tensão V

_CB

e como consequência

aumentar a largura da região de depleção

da junção base-coletor;



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 consequência

um maior número deles atinge o coletor;



Se um maior número de portadores

atinge o coletor, I

_C

aumenta.

Portanto se V

_CE

aumenta, I

_C

também

aumenta.

Efeito Early

Parâmetros de saída

Na região de corte, I

não é zero quando I

é zero (na configuração base-comum

quando I

= 0, I

= I

que é muito próximo

a zero)

I

I

I

C







E



CBO

I

C







(

I

C



I

B

)



I

CBO

















1

1

I

I

I

C

B

CBO

Para I

_B

= 0 e α = 0,996 tem-se que I

_C

= 250·I

_CBO

A

CBO

CEO

I

I

I





0

1



_



A corrente de coletor definida pela condição

I

= 0 μA terá a seguinte notação:

Beta (β)



No modo cc, I

_C

e I

_B

são relacionados por uma quantidade

denominada beta. I

_C

e I

_B

são determinados em um ponto específico

de operação da curva característica.

O valor de beta situa-se

geralmente de 50 a mais de 400

.

ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção 44

I

I

B

C

cc





constante

B

C

ca

V

I

I











No modo ca, um beta ca é definido como:

Nas folhas de

especificações β

é

geralmente lido h

Nas folhas de

especificações β

é

geralmente lido h

Exemplo para determinação de βca



Determine β

_ca

para uma região da curva característica definida por

um ponto de operação (ponto Q) onde I

_B

= 25 μA e V

_CE

= 7,5 V.

constante

B

C

ca

V

I

I











1- Determinar o ponto Q;

2- A variação de I

é definida por dois

pontos, um de cada lado do ponto Q,

equidistantes e sobre a reta vertical

V

= 7,5V (a melhor determinação

geralmente é feita mantendo-se ΔI

o

menor possível);

3- I

e I

são determinados

desenhando-se uma linha horizontal

sobre o eixo vertical.

Exemplo para determinação de βca



Determine β

_ca

para uma região da curva característica definida por

um ponto de operação (ponto Q) onde I

_B

= 25 μA e V

_CE

= 7,5 V.

ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção 46

I

I

I

I

I

I

V















100

20

30

2

,

2

2

,

3









A

A

mA

mA







108

25

7

,

2

_





A

mA

I

I





Beta cc no ponto Q

Exemplo para determinação de βca



Determine β

_ca

para uma região da curva característica definida por

um ponto de operação (ponto Q) onde I

_B

= 25 μA e V

_CE

= 7,5 V.

Apesar dos betas não serem

exatamente iguais eles são

intercambiados, ou seja,

conhecendo-se o valor de um dos

betas (cc ou ca) presume-se que o

outro seja mais ou menos igual.

Geralmente, quanto menor for o

valor de I

, mais próximos serão

βca e βcc e sem a influência de I

_CEO

I

I

I

I

I

I

B

B

C

C

constante

B

C

ca

V

2

1

1

2

















200

35

45

7

9









A

A

mA

mA

ca







200

40

8







A

mA

I

I

B

C

cc





Relação entre β e α

I

I

B

C





I

I

E

C





_I

_E



_I

_C



_I

_B





I

I

I

C

C

C









1

1

1





1





















1







1

I

I

CEO

CBO

1

1

1















_I

Relação entre β e α

I

I

C







B

I

E



I

C



I

B





_I

I

E







1



B

Beta

é um parâmetro especialmente importante

porque

oferece uma relação direta entre níveis

de corrente dos circuitos de entrada e saída

para uma configuração emissor-comum

Polarização



A polarização adequada de um amplificador em emissor-comum

pode ser determinada de maneira semelhante à introduzida para a

configuração base-comum.

Indicar o sentido de I

conforme a seta do

símbolo do transistor.

Pela lei de Kirchhoff

determinar o sentido das

demais correntes

(I

+ I

= I

)

As fontes são introduzidas

com polaridades que

estão de acordo com os

sentidos de I

e I

Se o transistor fosse um

PNP, todas as correntes e

polaridades seriam

invertidas

Características EmissorComum

Configuração Coletor-Comum



A configuração coletor comum caracteriza-se por ter como sinal de

entrada a corrente de base (Ib) e o sinal saída em função da corrente

de emissor (Ie).

ELT008 – Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 5 - Transistores bipolares de junção 54

Transistor PNP na

configuração coletor-comum

Transistor NPN na

configuração coletor-comum

I

I

I

E



C



B



Do ponto de vista de projeto, não há necessidade de um conjunto de curvas

características da configuração coletor-comum para a escolha dos parâmetros do

circuito.



O projeto pode ser feito utilizando-se as curvas características da configuração

emissor-comum.



As curvas características de saída para a configuração coletor-comum são iguais às

curvas características da configuração emissor-comum. Na configuração

coletor-comum, as curvas características de saída são um gráfico de I

versus V

para um

conjunto de valores de I

.



A corrente de entrada, portanto, é a mesma para as curvas características de

coletor-comum e emissor-comum.



Para o circuito de entrada da configuração coletor-comum, as curvas características

de base da configuração emissor-comum são suficientes para se obterem as

informações necessárias.

Características ColetorComum



A configuração coletor-comum é utilizada principalmente para o casamento

de impedância, pois possui alto valor de impedância de entrada e baixo

valor de impedância de saída.