TRANSISTORES BIPOLARES. Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto ET74C Eletrônica 1

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TRANSISTORES BIPOLARES

Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto (ucnetto@utfpr.edu.br) 19 de Outubro de 2015

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Objetivo da Aula

 Iniciar o estudo do transistor bipolar de junção.

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Conteúdo Programático

 Estrutura do transistor bipolar de junção;

 Operação do Transistor bipolar de junção;

 Configurações do Transistor bipolar de junção

– Base-Comum;

– Emissor-Comum;

– Coletor-Comum.

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Construção de Conhecimento esperado

 Familiarizar-se com a estrutura e operação do

transistor bipolar de junção, ser capaz de

identificar e aplicar a polarização adequada

para o transistor trabalhar na região ativa e

identificar as três regiões de operação do

transistor na curva de saída.

(5)

Divisão dos Transistores

Transistor Bipolar

NPN PNP

Tipo de portador majoritário

(6)

O que significa Bipolar?

• Dois tipos de portadores envolvidos no processo de condução de

corrente;

• Elétrons e Lacunas.

Bipolar

• Um único tipo de portador envolvido no processo de condução de

corrente;

• Elétrons para o JFET de canal n;

• Lacunas para o JFET de canal p.

Unipolar

(7)

Estrutura do Transistor

 Construção

– Transistor Bipolar de Junção (TBJ) ou Bipolar Junction Transistor (BJT):

• Elétrons e lacunas participam do processo de injeção.

– Construção análoga à do diodo:

• No diodo, junta-se semicondutores do tipo P e N, com mesmo nível de dopagem. Porém, no TBJ o nível de dopagem é distinto.

– Temos dois tipos de combinação para formar o TBJ:

• Junção de materiais do tipo P, N, e P;

• Junção de materiais do tipo N, P e N.

(8)

Estrutura do Transistor

 Construção

– Transistor não polarizado

Junção 1 Base-emissor

Junção 2 Base-coletor

Portador Majoritário

(9)

Estrutura do Transistor

 Construção

– Transistor não polarizado

Comportamento Análogo ao diodo

Após a difusão

(10)

Estrutura do Transistor

 Construção

– Relação entre o tamanho de cada camada.

(11)

Estrutura do Transistor

 Construção

– Emissor

• Material fortemente dopado.

– Base

• Material levemente dopado (resistência alta).

• Largura 150 vezes menor do que a largura do transistor.

– Coletor

• Material moderadamente dopado.

– Importante

• Diferentes dopagens para os materiais do transistor.

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Estrutura do Transistor

 Operação (pnp)

– Com tensão V_EE aplicada na junção base-emissor,

• Polarização direta.

• Redução da zona de depleção na junção p-n.

• fluxo de portadores majoritários.

(13)

Estrutura do Transistor

 Operação (pnp)

– Com tensão VCC 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.

(14)

Estrutura do Transistor

 Operação (pnp)

– Polarização:

• Direta na junção base-emissor

• Reversa na junção coletor-base

(15)

Estrutura do Transistor

 Operação (pnp)

– 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)

(16)

Estrutura do Transistor

 Operação (pnp)

– i_C  corrente no coletor

• Parcela devida aos portadores minoritários (i_CO)

– Parcela devido aos portadores majoritários da junção emissor-base (iC-majoritários).

(17)

Estrutura do Transistor

 Operação (pnp)

– i_C  corrente no coletor

• Injeção de “minoritários” no material de base.

– i_C = i_CO + iC-majoritários

– Lei das correntes: i_E = i_C + i_B

(18)

Estrutura do Transistor

 Operação (npn)

– i_C = i_CO + iC-majoritários

– Lei das correntes: i_E = i_C + i_B

(19)

Operação

 Os transistores BJT operam na região ativa sempre que:

– Junção base-emissor é polarizada diretamente.

– Junção coletor-base é polarizada reversamente.

 Símbolo e sentido da corrente

PNP NPN

Fluxo convencional De corrente (lacunas)

(20)

Operação

 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.

(21)

Operação

 Base-Comum

0

BC557A

VCC

VEE VCC

BC547A

VEE

0

PNP NPN

Ponto Comum

(22)

Operação

 Base-Comum

0

BC557A

VCC

VEE VCC

BC547A

VEE

0

Seção de entrada

(junção base-emissor polarizada diretamente)

PNP NPN

(23)

Operação

 Base-Comum

Seção de Saída

(junção coletor-base polarizada reversamente)

PNP NPN

0

BC557A

VCC

VEE VCC

BC547A

VEE

0

(24)

Operação

 Base-Comum

– Corrente do emissor X Tensão da junção base- emissor.

(25)

Operação

 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;

• 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 V como tensão para “ligar” o transistor.

(26)

Operação

 Base-Comum

Aproximação para o comportamento na seção de entrada

V_BE  0,7V – transistor “ligado”

(27)

Operação

 Base-Comum

V_BE  0,7V – transistor “ligado”  para qualquer valor de corrente de emissor que seja controlada pelo circuito externo.

Ou seja, se o transistor estiver na região ativa, pode-se especificar de imediato que V_BE = 0,7V.

(28)

Operação

 Base-Comum

– Corrente do coletor X Tensão da junção coletor- base.

Região Ativa Região de Corte

Região de Saturação

(29)

Operação

 Base-Comum – Região Ativa

• A junção base-emissor é polarizada diretamente

• A junção coletor-base é polarizada reversamente ,

– Fluxo de portadores majoritários e minoritários

• O transistor está operacional

– Pode funcionar como amplificador.

(30)

Operação

 Base-Comum

Região Ativa

Faixa de operação como

amplificador linear

(31)

Operação

 Base-Comum – Região de Corte

– Corrente do coletor X Tensão da junção coletor-base.

• A junção base-emissor é polarizada reversamente

• A junção coletor-base é polarizada reversamente ,

• Não temos fluxo de portadores majoritários (iC-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.

(32)

Operação

 Base-Comum – Região de Corte

BC557A

VEE VCC

0

BC547A

0

VCC VEE

i_CBO i_CBO

Emissor aberto

PNP NPN

(33)

Operação

 Base-Comum – Região de Corte

Região de Corte O amplificador está

basicamente desligado.

Há tensão, mas pouca corrente.

“Chave Aberta”

(34)

ET74C – Eletrônica 1

Operação

 Base-Comum – Região de Saturação

• A junção coletor-base é polarizada diretamente ;

– Qualquer pequena variação positiva de V_CB provoca aumento exponencial da corrente no coletor (i_C);

– Temos então a saturação do transistor.

• Resistência nula na junção “virtual” emissor-coletor.

34

(35)

Operação

 Base-Comum – Região de Saturação

O amplificador está totalmente ligado.

Há corrente, mas pouca tensão.

A esquerda de V_CB = 0

(36)

Operação

 Base-Comum

– Para a região ativa:

• Similaridade entre i_C e i_E.

• Na prática temos:

– α_DC = iC-majoritários/i_E(para sinais CC)

» O índice DC refere-se a valor de α definido em um ponto da curva na região de operação. Apenas para portadores majoritários.

– α_AC = ΔiC-majoritários/Δi_E(para sinais CA)

» 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). O ponto de operação move-se sobre a curva característica.

Definido para o ponto de

operação

(37)

Operação

 Base-Comum

– Para a região ativa:

• i_C = i_CO + iC-majoritários

• i_C = αi_E + i_CBO

– 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

37

 Varia entre 0,9 e 0,99

(38)

Operação

 Base-Comum

– As condições descritas implicam na configuração abaixo:

(39)

Operação

 Base-Comum

– Região de Ruptura

Região de Ruptura

Aumento elevado da corrente I_C pequenos

aumentos de V_CB.

limite

(40)

Operação

 Emissor-Comum

0

BC557A

VCC VBB

VBB

0

BC547A VCC

PNP NPN

Ponto Comum

(41)

Operação

 Emissor-Comum

PNP NPN

0

BC557A

VCC VBB

VBB

0

BC547A VCC

Seção de entrada

(polarizada diretamente a junção base-emissor)

(42)

Operação

 Emissor-Comum

Seção de saída

(polarizada reversamente a junção coletor-base através da tensão coletor-emissor)

0

BC557A

VCC VBB

VBB

0

BC547A VCC

PNP NPN

(43)

Operação

 Emissor-Comum

– Corrente da base X Tensão da junção base-emissor.

(44)

Operação

 Emissor-Comum

(45)

Operação

 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.

– 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=0,7V como tensão para “ligar” o transistor.

45

(46)

Operação

 Emissor-Comum

– Corrente do coletor X Tensão da junção coletor- emissor.

Região Ativa Região de Corte

Não tão lineares  influência de V_CE.

(47)

Operação

 Emissor-Comum – Região de Saturação

• A junção coletor-base é polarizada diretamente

• Tensão V_CE-sat  Tensão de saturação entre coletor e emissor.

47

(48)

Operação

 Emissor-Comum – Região de Saturação

(49)

Operação

 Emissor-Comum– Região de Saturação

• Qualquer pequena variação positiva de V_CE provoca aumento exponencial da corrente no coletor (i_C);

• Temos então a saturação do transistor;

• Resistência nula na junção “virtual” coletor-emissor.

49

(50)

Operação

 Emissor-Comum – Região de Corte

– A junção base-emissor é polarizada reversamente – A junção coletor-base é polarizada reversamente – Temos então o corte do transistor.

– Resistência elevada na junção “virtual” coletor- emissor.

50

(51)

Operação

 Emissor-Comum – Região de Corte

0

BC557A

VCC VBB

0

BC547A

i_CEO i_CEO

PNP NPN

(52)

Operação

 Emissor-Comum – Região de Corte

(53)

Operação

 Emissor-Comum – Região de Corte

• Quando a corrente na base é zero, temos uma corrente não-nula no coletor.

– Temos que i_C = α i_E + i_CBO = α (i_C + i_B) + i_CBO;

– Rearranjando: i_C = [α i_B / (1 - α)] + [i_CBO / (1 - α)];

– Para a situação de i_B = zero: i_C = i_CBO / (1 - α).

• Definiremos então a grandeza

– i_CEO = i_CBO / (1 – α) ou i_CEO = i_C para i_B = zero.

– i_CEO depende da temperatura pois, i_CBO comporta-se assim.

53

(54)

Operação

 Emissor-Comum– Região de Corte

• Para amplificação linear, a região de corte para a configuração emissor-comum é definida por I_C = I_CEO.

54

(55)

Operação

 Emissor-Comum – Região Ativa

• A junção coletor-base é polarizada reversamente

• O transistor está operacional

– Pode funcionar como amplificador.

55

(56)

Operação

 Emissor-Comum – Região Ativa

Região de operação

(57)

Operação

 Emissor-Comum

• Há relação entre i_C e i_B.

• β_DC = i_C/i_B(considerando sinal CC)

– O índice DC refere-se ao valor de β definido em um ponto da curva na região de operação.

• β_AC = Δ_iC/Δ_iB(considerando sinal CA)

– 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).

57

(58)

Operação

 Emissor-Comum

– Corrente do coletor X Tensão da junção coletor-emissor.

• 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;

– 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.

58

(59)

Operação

 Emissor-Comum

• β_DC ≠ β_AC por causa de i_CEO ≠ zero

– Se i_CEO = zero  β_DC = β_AC.

59

(60)

Operação

 Emissor-Comum

• As curvas i_C x v_CE possuem uma inclinação

– Resistência intrínseca na saída do emissor-comum.

60

(61)

Operação

 Emissor-Comum

• 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.

61

(62)

Operação

 Emissor-Comum

– Região de Ruptura

(63)

Operação

 Coletor-Comum

BC557A VEE

VBB

0

VEE

0

VBB

BC547A

Ponto Comum

PNP NPN

(64)

Operação

 Coletor-Comum

BC557A VEE

VBB

0

VEE

0

VBB

BC547A

Seção de entrada

(Polarizada diretamente a junção base-emissor através da tensão emissor-coletor)

PNP NPN

(65)

Operação

 Coletor-Comum

Seção de saída

(polarizada reversamente a junção coletor-base)

PNP NPN

BC557A VEE

VBB

0

VEE

0

VBB

BC547A

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Operação

 Coletor-Comum

– As curvas de comportamento são aproximadamente as mesmas do emissor comum.

• Entrada: i_B  v_BE para diferentes valores de v_ECs;

• Saída: i_E  v_EC para diferentes valores de i_Bs;

– 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.

66

(67)

Operação

 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)

– Contidas na folha de dados do transistor.

67

(68)

Operação

 Limites de Operação

68

• Coletor-comum:

C CB Cmáx V I

P 

C CE Cmáx V I

P 

E CE Cmáx V I P 

• Base-comum:

• Emissor-comum:

(69)

Operação

 Exemplo de folha de dados

69

(70)

Operação

 Exemplo de folha de dados

70

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Referências Utilizadas

 BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis.

Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11.

ed. São Paulo: Pearson education do Brasil, 2013.

 SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C..

Microeletrônica. 5ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007.

 MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. 4. ed. São Paulo:

Makron, c1997. 2v.

71

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Obrigado pela Atenção!

Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto – ucnetto@utfpr.edu.br

Departamento Acadêmico de Eletrotécnica – DAELT – (41)3310-4626 Av. Sete de Setembro, 3165 - Bloco D – Rebouças - CEP 80230-901

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