Transistor bipolar de juncao (TBJ) 1

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Transistor bipolar de juncao (TBJ) 1

  1. 1. 1 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) 1 Regiane Ragi
  2. 2. 2 Esta aula baseia-se no livro: DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES: DIODOS E TRANSISTORES EDUARDO CESAR ALVES CRUZ, SALOMAO CHOUERI JUNIOR e ANGELO EDUARDO BATTISTINI MARQUES
  3. 3. Transistor Bipolar de Junção Os transistores são dispositivos que podem amplificar sinais ou funcionar como uma chave eletrônica, comutando um dispositivo de um estado ligado para um estado desligado. 3
  4. 4. Transistor Bipolar de Junção Os transistores bipolares que iremos estudar nesta aula são formados por três regiões de materiais semicondutoras, apresentando duas junções PN, daí o nome de transistor bipolar de junção (TBJ). Material tipo P Material tipo PN Emissor Base Coletor Três regiões de um transistor bipolar Junção emissor-base Junção base-coletor 4
  5. 5. Transistor Bipolar de Junção O transistor bipolar de junção (TBJ) são dispositivos bipolares, porque seu funcionamento depende de dois tipos de portadores de corrente,  as lacunas e  os elétrons. 5
  6. 6. Transistor Bipolar de Junção Os transistores bipolares podem ser de dois tipos: 6 Material tipo P Material tipo PN P Material tipo N Material tipo N Emissor Base Coletor Emissor Base Coletor Três regiões de um transistor bipolar  n-p-n, e  p-n-p
  7. 7. Construção do TBJ n-p-n Os transistores bipolares n-p-n consistem de três camadas de material semicondutor, sendo uma fina camada de semicondutor do tipo-p, sanduichada entre duas regiões de material semicondutor tipo-n. 7 tipo-n Emissor tipo-n Coletor tipo-p Base n-p-n
  8. 8. Construção tipo-n tipo-ntipo-p Contato de Emissor Contato de Coletor Contato de Base Os três terminais do transistor bipolar recebem o nome de i. EMISSOR, ii. BASE e iii. COLETOR. 8
  9. 9. tipo-n Emissor tipo-n Coletor tipo-p Base 9 O emissor é fortemente dopado e tem função de emitir portadores de carga para a base:  elétrons no caso do transistor n-p-n e  lacunas no caso do transistor p-n-p). n-p-n tipo-p tipo-ptipo-n p-n-p
  10. 10. 10 A base é levemente dopada e muito fina. Dessa forma, a maioria dos portadores de carga lançados do emissor para a base, tenderão a atravessá- la e dirigir-se ao coletor. tipo-n Emissor tipo-n Coletor tipo-p Base n-p-n
  11. 11. Construção n-p-n Um fio conecta cada uma das três regiões: emissor, base e coletor. tipo-n tipo-ntipo-p Contato de Emissor Contato de Coletor Contato de Base Região fortemente dopada Região moderadamente dopada Região fracamente dopada 11
  12. 12. Construção p-n-p Transistores p-n-p são complementares aos n-p-n e são muito menos comuns que os transistores n-p-n. tipo-p tipo-ptipo-n Contato de Emissor Contato de Coletor Contato de Base Região fortemente dopada Região moderadamente dopada Região fracamente dopada A região de emissor no transistor p-n-p também é pesadamente dopada. A região de coletor no transistor p-n-p também é moderadamente dopada. A base no transistor p-n-p também é fina e levemente dopada. 12
  13. 13. 13 P N P Base Coletor Emissor N P N Base Coletor Emissor Emissor Base Coletor Emissor Base Coletor
  14. 14. 14 Dependendo da polaridade da tensão aplicada em cada junção, obtém-se diferentes modos de operação do TBJ. Modos de operação doTBJ tipo-n Emissor tipo-n Coletor tipo-p Base n-p-n
  15. 15. Polarização Para um transistor bipolar funcionar apropriadamente, as duas junções p-n devem estar convenientemente polarizadas. 15
  16. 16. 16 Efeitos de se polarizar separadamente cada junção
  17. 17. 17 Para se entender como funcionam os transistores bipolares, vamos inicialmente estudar cada junção polarizada separadamente, para depois uni-las e fazer uma análise do dispositivo como um todo.
  18. 18. 18 Agora, note o sentido da corrente.
  19. 19. 19 Lembre-se que a corrente convencional tem sentido contrário ao fluxo de elétrons, e mesmo sentido que o fluxo de lacunas
  20. 20. Polarizando-se a junção E-B diretamente com tensão VBE n np +- VBE iB 20 Emissor Coletor Base
  21. 21. Polarizando-se a junção E-B diretamente com tensão VBE n np +- VBE Corrente de portadores majoritários do lado n, no caso elétrons, se dirigem para a base. Corrente de portadores minoritários do lado p, no caso elétrons, se dirigem para o lado n. iB 21 Emissor Coletor Base
  22. 22. Polarizando-se a junção E-B diretamente com tensão VBE + - n np +- VBE Corrente de portadores majoritários do lado n, no caso elétrons, se dirigem para a base. Corrente de portadores minoritários do lado p, no caso elétrons se dirigem para o lado n. iB A junção E-B funciona como um diodo polarizado diretamente, fazendo fluir através dela uma grande corrente iB de portadores majoritários, elétrons livres no caso do transistor n-p-n. 22 Emissor Coletor Base
  23. 23. O mesmo acontece se polarizarmos diretamente a junção emissor base no caso de um transistor bipolar pnp + - p pn -+ VEB Corrente de portadores majoritários do lado p, no caso, lacunas, se dirigem à base. Corrente de portadores minoritários (lacunas) do lado n se dirigindo ao lado p. iB 23
  24. 24. Assim, polarizando-se a junção E-B diretamente com VBE (n-p-n) e VEB (p-n-p) + - p pn -+ n np +- VBE VEB Corrente de portadores majoritários (elétrons) do lado n se dirigindo à base. Corrente de portadores majoritários (lacunas) do lado p se dirigindo à base. Corrente de portadores minoritários (elétrons) do lado p se dirigindo ao lado n. Corrente de portadores minoritários (lacunas) do lado n se dirigindo ao lado p. iB iB Aparece uma pequena corrente, em sentido contrário, devido aos portadores minoritários. Esta corrente é chamada de corrente de fuga. 24
  25. 25. Analogamente, a junção B-C também comporta-se como uma junção p-n comum. -+ VCB VBC n np p pn Corrente de portadores minoritários +- Corrente de portadores minoritários Alargamento da região de depleção Alargamento da região de depleção 25
  26. 26. A barreira de potencial aumenta, devido ao alargamento da região de depleção, diminuindo drasticamente o fluxo de corrente dos portadores majoritários, porém, os portadores minoritários atravessam a barreira com facilidade, no sentido contrário, fazendo circular uma corrente reversa, ainda menor e praticamente desprezível, pois tais portadores são em número muito pequeno. -+ VCB VBC n np p pn Corrente de portadores minoritários +- Corrente de portadores minoritários Alargamento da região de depleção Alargamento da região de depleção 26
  27. 27. 27 Tendo compreendido o efeito de se polarizar separadamente cada junção, o próximo passo é compreender quais são os efeitos de se polarizar simultaneamente ambas as junções.
  28. 28. 28 Efeitos de se polarizar simultaneamente ambas as junções
  29. 29. Polarização Neste cenário, há quatro possíveis combinações, porém, somente três delas desempenham um papel significante na eletrônica: 29
  30. 30. Polarização Neste cenário, há quatro possíveis combinações, porém, somente três delas desempenham um papel significante na eletrônica: i. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente  condição de cut-off 30
  31. 31. Polarização Neste cenário, há quatro possíveis combinações, porém, somente três delas desempenham um papel significante na eletrônica: i. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente  condição de cut-off ii. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Diretamente  condição de saturação 31
  32. 32. Polarização Neste cenário, há quatro possíveis combinações, porém, somente três delas desempenham um papel significante na eletrônica: i. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente  condição de cut-off ii. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Diretamente  condição de saturação iii. Junção Base-Emissor polarizada diretamente e Base- Coletor polarizada Reversamente  operações lineares (modo ativo) 32
  33. 33. Operação É importante compreender quais são os efeitos de se polarizar simultaneamente ambas as junções. 33
  34. 34. 34 i- Junção Base-Emissor e Base- Coletor polarizadas Reversamente
  35. 35. i- Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente Esta é a condição conhecida como cut off (corte) e é essencial para operações digitais. N N P + - - + Terminal de coletor Terminal de emissor 35
  36. 36. Não é usada em operações lineares, tais como amplificadores. N N P + - - + Terminal de coletor Terminal de emissor 36
  37. 37. Em operações digitais o transistor somente opera como chave aberta ou chave fechada (do inglês, switch on e switch off). N N P + - - + Terminal de coletor Terminal de emissor 37
  38. 38. Operações lineares no transistor ocorrem no espectro inteiro entre os estados ON e OFF, ligado/desligado. N N P + - - + Terminal de coletor Terminal de emissor 38
  39. 39. 39 ii - Junção Base-Emissor e Base- Coletor polarizadas Diretamente
  40. 40. ii - Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Diretamente A corrente é grande nas duas junções  é a condição de corrente mais alta para um transistor. N N P + - - + Terminal de coletor Terminal de emissor 40
  41. 41. Esta condição é chamada de saturação. N N P + - - + Terminal de coletor Terminal de emissor 41
  42. 42. Nestas condições: (transistor típico) i. VE = 0 V ii. VB = 0.7 V iii.VC = 0.2 V N N P + - - + Terminal de coletor Terminal de emissor 42
  43. 43. Comporta-se como um curto-circuito. N N P + - - + Terminal de coletor Terminal de emissor 43
  44. 44. Saturação e cut-off (corte) são as condições usadas em circuitaria digital e conseqüentemente em microprocessadores. N N P + - - + Terminal de coletor Terminal de emissor 44
  45. 45. 45 iii - Junção Base-Emissor polarizada diretamente e Base-Coletor polarizada Reversamente
  46. 46. iii - Junção Base-Emissor polarizada diretamente e Base-Coletor polarizada Reversamente N NP RE RC + _ _ + VBE VCB Emissor Base Coletor ICIE IB Observa-se agora que o fluxo de portadores majoritários na junção E-B, que antes se dirigia totalmente ao terminal de base, agora devido à atração maior exercida pelo coletor, dirige-se quase totalmente para o coletor, atravessando a junção B-C sem a menor dificuldade. 46
  47. 47. -+ VCB VBC n np p pn +-+- VBE -+ VEB Tensões e correntes nos transistores n-p-n e p-n-p iB iBiEiE iC iC Emissor Coletor Base iB iC iE VCB VBE VCE Emissor Coletor Base iB iC iE VEB VBC VEC 47
  48. 48. 48 Emissor Coletor Base iB iC iE VCB VBE VCE Emissor Coletor Base iB iC iE VEB VBC VEC Abaixo, é mostrado o esquema geral de tensões e correntes de portadores majoritários para os transistores npn e pnp, assumindo-se o sentido convencional de corrente, e lembrando-se que as correntes de portadores minoritários são em geral desprezadas. npn pnp
  49. 49. iE = iB + iC Emissor Coletor Base iB iC iE VCB VBE VCE Emissor Coletor Base iB iC iE VEB VBC VEC Aplicando-se a primeira lei de Kirchhoff para as correntes: n-p-n p-n-p 49 -+ VCB VBC n np p pn +-+- VBE -+ VEB iB iBiEiE iC iC
  50. 50. Aplicando-se a segunda lei de Kirchhoff para as tensões: VEC = VBC + VEBVCE = VBE + VCB 50 Emissor Coletor Base iB iC iE VCB VBE VCE Emissor Coletor Base iB iC iE VEB VBC VEC n-p-n p-n-p -+ VCB VBC n np p pn +-+- VBE -+ VEB iB iBiEiE iC iC
  51. 51. O comportamento esperado do transistor nesse tipo de configuração em circuitos eletrônicos é fazer o controle da passagem de corrente entre o emissor e o coletor através da base. Isto é alcançado polarizando o transistor adequadamente.  Junção Base-Emissor polarizada diretamente e  Junção Base-Coletor polarizada Reversamente.
  52. 52. 52 N NP RE RC + _ _ + VBE VCB Emissor Base Coletor Fluxo de corrente em um transistor npn polarizado de modo a operar na região ativa. Sentido convencional das correntes. iCiE iB iE = iB + iC
  53. 53. 53 53 Devido a difusão de portadores nas junções J1 e J2, barreiras de potencial são produzidas entre emissor e base e base e coletor, de 0.7 V para o silício e de 0.3 V para o germânio, à temperatura ambiente. J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor N NP RE RC + _ _ + VBE VCB Emissor Base Coletor iCiE iB
  54. 54. 54 J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor Considere a junção J1 em polarização direta e a junção J2 em polarização reversa. N NP RE RC + _ _ + VBE VCB Emissor Base Coletor ICIE IB
  55. 55. 55 J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor Como a junção J1 está polarizada diretamente, não oferece barreira aos elétrons, que passam para a região P. N NP RE RC + _ _ + VBE VCB Emissor Base Coletor ICIE IB
  56. 56. 56 J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor Esta região (P) sendo muito estreita, e estando os elétrons muito acelerados, apenas alguns conseguem se recombinar com as lacunas da região P. N NP RE RC + _ _ + VBE VCB Emissor Base Coletor ICIE IB
  57. 57. Para entender porque a corrente se dirige menos à base basta lembrar que a base é mais estreita e fracamente dopada. N NP RE RC + _ _ + VBE VCB Emissor Base Coletor ICIE IB 57
  58. 58. Assim os portadores que vêm do emissor saturam a base rapidamente através das recombinações, fazendo com que os portadores se dividam em duas partes:  Uma pequena parte saindo pelo terminal de base;  E a maior parte saindo pelo coletor, atraídos pela sua tensão. N NP RE RC + _ _ + VBE VCB Emissor Base Coletor ICIE IB 58
  59. 59. 59 A polarização direta na base de um transistor controla a quantidade de corrente que passa pelo circuito de coletor. J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor N NP RE RC + _ _ + VBE VCB Emissor Base Coletor ICIE IB
  60. 60. 60 A maior parte do fluxo de corrente é de emissor para coletor, sendo que apenas uma pequena corrente circula entre emissor e base, ilustrando o efeito de amplificação. J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor N NP RE RC + _ _ + VBE VCB Emissor Base Coletor ICIE IB
  61. 61. 61 Pode-se controlar a corrente C-B controlando-se a polarização E-B. J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor N NP RE RC + _ _ + VBE VCB Emissor Base Coletor ICIE IB
  62. 62. Nestas condições: N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 62
  63. 63. O fluxo de corrente é máxima do emissor para o coletor. A corrente de base é muito pequena. A corrente base-emissor é alta. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 63
  64. 64. Sabemos que o emissor é pesadamente dopado, contendo muito elétrons livres. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 64
  65. 65. Como a base é levemente dopada com lacunas, se alguns elétrons se recombinam com as lacunas, outros elétrons podem sair da base. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 65
  66. 66. A maior parte dos elétrons “verão” o positivo do coletor, entrarão na região de depleção, entre a base e o coletor, e serão varridos para o coletor. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 66
  67. 67. O transistor é construído de modo a encorajar que a corrente flua do emissor para o coletor, sob polarização. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 67
  68. 68. A base por ser levemente dopada não estimula a recombinação  por isso a recombinação é difícil. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 68
  69. 69. A base sendo muito fina, faz com que seja mais provável que os elétrons livres encontre a camada de depleção base/coletor antes de encontrar uma lacuna. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 69
  70. 70. 95 ~ 99 % dos elétrons fluirão através do coletor. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 70
  71. 71. Assim, definimos o α do transistor α = IC / IE N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 71
  72. 72. Esta configuração é exigida para transistores operando na região linear. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 72
  73. 73. A saída terá uma forma de onda idêntica a onda da entrada. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 73
  74. 74. Correntes de emissor e coletor serão aproximadamente iguais. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 74
  75. 75. Corrente de base será muito pequena. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 75
  76. 76. Se a corrente de base varia, a corrente no emissor e coletor variarão proporcionalmente. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 76
  77. 77. Esta é a base para a amplificação. N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 77
  78. 78. A razão entre a corrente de base e de coletor é pequena e é chamada de β do transistor β = IC / IB = hFE N N P + + - - Terminal de coletor Terminal de emissor 78
  79. 79. Em resumo . . . É importante compreender quais são os efeitos de se polarizar simultaneamente ambas as junções. 79
  80. 80. 80 Disso resulta os modos de operação do TBJ
  81. 81. 81 Modos de operação do TBJ
  82. 82. Modos de operação do TBJ O transistor pode operar em três diferentes estados: 82
  83. 83. Modos de operação do TBJ O transistor pode operar em três diferentes estados: Cut-off (corte) – no qual o transistor não tem nenhuma corrente de saída. (i- Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente) 83
  84. 84. Modos de operação do TBJ O transistor pode operar em três diferentes estados: Cut-off (corte) – no qual o transistor não tem nenhuma corrente de saída. (i- Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente) Região Ativa – no qual a corrente de saída de coletor, iC é controlada pela corrente de base, iB, (ii - Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Diretamente) e 84
  85. 85. Modos de operação do TBJ O transistor pode operar em três diferentes estados: Cut-off (corte) – no qual o transistor não tem nenhuma corrente de saída. (i- Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente) Saturação – onde a corrente de coletor do transistor alcança um valor máximo e um aumento na corrente de base não tem nenhum efeito sobre a corrente de coletor (ii - Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Diretamente), e Região Ativa – no qual a corrente de saída de coletor, iC é controlada pela corrente de base, iB, (iii - Junção Base-Emissor polarizada diretamente e Base-Coletor polarizada Reversamente). 85
  86. 86. 86 Cut-off
  87. 87. Cut-off ou corte A corrente de saída do transistor é zero ou desprezível. 87
  88. 88. Cut-off Quando a corrente iC é zero, a tensão de saída é máxima  Normalmente igual à tensão de polarização da fonte. 88
  89. 89. Cut-off Portanto, no modo cut-off VCE = VCC, e iC = 0, Onde VCC é a tensão de polarização do gerador. 89
  90. 90. Cut-off Este modo é o oposto da saturação. 90
  91. 91. 91 Saturação
  92. 92. Saturação O transistor produzirá a corrente máxima para o circuito, e o valor dessa corrente é dependente dos parâmetros do circuito. 92
  93. 93. Saturação O transistor é considerado saturado quando a tensão coletor-emissor é próxima a zero ou maior do que 0.2 V. 93
  94. 94. Saturação Saturação também pode ser expressa VCE ≈ 0 e iC é o valor máximo. 94
  95. 95. Saturação Saturação é quando o transistor tem corrente máxima mas tensão de saída mínima, o oposto do modo cut-off. 95
  96. 96. 96 Modo-ativo
  97. 97. Modo Ativo Nesse modo, a corrente de saída iC é controlada pela corrente de entrada iB. 97
  98. 98. Modo Ativo Modo ativo é útil para projetar amplificadores de corrente e tensão. 98
  99. 99. Modo Ativo A relação entre as correntes é expressa pela iE = iC + iB, e iC = β · iB 99
  100. 100. Modo Ativo Isto demonstra que as correntes de coletor e emissor são funções da iB corrente de entrada. 100
  101. 101. Modo Ativo Quando a corrente de controle é a corrente de base, dizemos que o dispositivo é controlado por corrente. 101
  102. 102. Conceitos de Polarização Conceitos importantes para se entender sobre polarização de transistores e características. O beta do transistor β = IC / IB = hFE O alfa do transistor α = IC / IE Saturação  fluxo de corrente máxima do transistor Corte (cutoff)  nenhum fluxo de corrente 1 2 3 4 Emissor Coletor Base Transistor típico: 2N3904 tem 100 < β < 300 Para o transistor na região ativa. 102
  103. 103. Condições de Polarização Para as várias aplicações, certas condições devem ser satisfeitas para que o circuito opere apropriadamente. Aplicação Região de operação do transistor Polarização B - E Polarização B - C Circuitos digitais Saturação Direta Direta Circuitos digitais Corte Reversa Reversa Amplificadores Linear Direta Reversa 103

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