Transistores Bipolares de Junção
O transistor é um dispositivo semicondutor que consiste em duas camadas de material do tipo n e uma camada do tipo p, ou o contrário, duas do tipo p e uma do tipo n. No primeiro caso ele é chamado transistor npn e no segundo, pnp.
Cada um dos terminais possui uma denominação, as extremidades são chamadas de emissor e coletor, e possuem largura maior, a camada intermediária é chamada de base e possui uma largura menor. A camada emissora é fortemente dopada, a base é menos dopada e a coletora possui dopagem bem leve.
Por ter uma dopagem menor, a camada intermediária (base) possui menos portadores majoritário, e portanto, possui menor condutividade. As figuras abaixo mostram o esquemático dos transistores npn e pnp.
Esse tipo de transistor é chamado de Transistor Bipolar de Junção – TBJ (bipolar junction transistor – BJT) pois dois pólos participam da injeção de portadores.
Operação do transistor
Inciando com um transistor pnp, consideremos primeiramente o transistor sem a polarização base coleto. Nesse caso, as camadas emissor e base funcionam como um diodo polarizado diretamente, havendo condução de corrente do emissor para a base.
Se for removida a polarização base-emissor, e inserida a polarização base-coletor, essas duas junções se comportam como um diodo reversamente polarizado, não havendo corrente.
Inserindo agora as duas polarizações, uma junção p-n é polarizada diretamente enquanto a outra é polarizada reversamente.
Os portadores majoritários do emissor (lacunas), atravessarão a camada de depleção fina (polarização direta), entrando na base. A junção base-coletor, por sua vez, é mais larga devido à polarização reversa. As lacunas em excesso na base possuem duas alternativas, seguir pelo conector da base ou atravessar a camada de depleção da junção base-coletor.
Apesar da polarização reversa, a maior parte da corrente seguirá para o coletor, fazendo com que a corrente de base seja mínima (na ordem de micro-amperes). Isso pode ser explicado pelo fato das lacunas serem portadores minoritários na base, e o fluxo de lacunas para o coletor se comporta como a corrente reversa de portadores minoritários no diodo.
Tratando o transistor como um nó do circuito, pela LKC temos: IE=IC+IB
Como a junção base-coletor está polarizada reversamente, o terminal do coletor terá um potencial elétrico maior que o terminal da base, atraindo (“coletando”) as lacunas que são injetadas na base. Portanto, a corrente no coletor independe da tensão VCB, fazendo com que essa junção funcione
como uma fonte de corrente. A corrente do coletor é portanto controlada pela corrente do emissor. A corrente no emissor, por sua vez, dependerá da tensão de polarização direta base-emissor, considerando que essa tensão seja maior que a barreira de potencial VBE de 0,7 V.
Vários parâmetros podem influenciar os valores das correntes citadas, tais como variação da temperatura, corrente de fuga no coletor (portadores minoritários), corrente de fuga da base, etc. Por se tratarem de correntes na ordem de nanoamperes, elas são geralmente desprezadas.
A simbologia utilizada para representar o TBJ em diagramas de circuito é mostrado abaixo. A diferença nas duas notações está no fato de o transistor poder ser npn ou pnp, o que altera sua polarização. Em ambos os casos, a seta do símbolo representa a corrente do emissor.
Configuração Base-Comum
A polarização adequada nessa configuração pode ser facilmente determinada utilizando-se a aproximação IC ≈ IE e presumindo-se, por enquanto que IB = 0 μA. O circuito resultante é mostrado
abaixo.
No modo CC, os valores de IC e IE devidos aos portadores majoritários são relacionados por uma quantidade chamada de alfa e definidos pela equação:
αcc=IC IE
Segundo o circuito anterior, α = 1, no entanto esse valor na prática varia entre 0,9 e 0,998.
Exemplo: considere o circuito da figura abaixo. Deseja-se comparar o sinal de entrada Vi com a
tensão na carga VL. A resistência de entrada do circuito será a resistência de corpo da junção pn
polarizada diretamente (emissor-base), que geralmente é muito pequena. A resistência de saída será da junção pn (base-coletor) polarizada reversamente, que geralmente é muito grande.
Supondo uma resistência de entrada de 20 Ω, para os valores do circuito temos:
Ii=Vi Ri
=200 mV
para α ≈ 1:
IL=Ii=10 mA
VL=ILR=(10 mA)(5 k Ω)=50 V
o que resulta em uma amplificação de 250 vezes. Configuração Emissor-Comum
A configuração mais utilizada para transistores npn e pnp é a configuração emissor-comum, onde o emissor é comum ao circuito de entrada, base-emissor, e ao circuito de saída, emissor-coletor. Essa configuração é ilustrada na figura abaixo.
Na figura, os sentidos das correntes são, novamente, os sentidos convencionais e, apesar de a configuração ter mudado, as relações entre as correntes em cada terminal ainda são válidas: iE = iB +
iC e iC = α iE.
Na região ativa de um amplificador emissor-comum, a junção base-coletor é polarizada reversamente, enquanto a junção base-emirror é polarizada diretamente.
Para a configuração emissor-comum, as características de saída são representadas pelo gráfico abaixo, onde é mostrada a relação da corrente de saída (iC) em função da tensão de saída (vCE), para
A curva característica da entrada mostra a relação entre a corrente de entrada (iB) em função da
tensão de entrada (vBE).
É importante notar que a corrente iC não é zero quando iB é nula. Isso se deve ao fato de termos uma
corrente de fuga (portadores minoritários) na junção base-coletor iCO. Essa corrente é
frequentemente desprezada, por ter valores na ordem de micro-amperes. Na configuração emissor-comum, entretanto, ela não será desprezível:
iC=αiE+iCBO iC=α (iC+iB)+iCBO iC= αiB 1−α+ iCBO 1−α
Por exemplo, se considerarmos iB = 0 A, e um valor típico para α = 0,996, teremos:
iC=
iCBO
1−0,996=250 iCBO
Tendo iCBO = 1 μA, teremos iC = 0,25 mA. Essa corrente iC, quando iB = 0, é referenciada como iCEO,
definindo a região de corte para a configuração emissor-comum.
Assim como na configuração base-comum, podemos relacionar a corrente de saída (iC) com a
βcc=iC iB
Em geral, esse parâmetros tem valores entre 50 e 400, e muitas vezes referenciado nos datasheet como hFE. Caso as correntes sejam alternadas, o parâmetro acima fica:
βca=ΔiC ΔiB
considerando a tensão VCE constante. Como β é sempre maior que 1, a corrente de saída será sempre
maior que a de entrada. Por esse motivo, esse parâmetro é chamado de fator de amplificação de corrente direta em emissor-comum.
Para garantir a correta polarização do transistor para fazê-lo funcionar como amplificador de corrente, basta seguir o sentido convencional das correntes, conforme a figura abaixo.
Configuração Coletor-Comum
Essa configuração é geralmente usada para fazer casamento de impedâncias entre dois circuitos distintos, pois a impedância de entrada dessa configuração é muito alta, e a de saída muito baixa. Apesar da semelhança geométrica com a configuração emissor-comum, essa configuração geralmente é polarizada com o coletor e o emissor aterrados, onde o emissor contém um resistor entre ele e o terra.
Limites de operação
As faixas de operação do transistor podem ser obtidas a partir de suas curvas características, as quais mostram as regiões de saturação e de corte. A partir dessas curvas, esses limites estabelecidos pelas duas regiões é intuitiva.
Além dessas curvas, geralmente são fornecidos os valores limites para a corrente de coletor e a tensão máxima coletor-emissor. Assim, a dissipação de potência é determinada pela equação:
PCmáx = VCE IC.
