O documento descreve o funcionamento do transistor bipolar de junção (TBJ). O TBJ possui três regiões - emissor, base e coletor - formando duas junções PN. Quando a junção emissor-base é polarizada diretamente e a junção base-coletor é polarizada inversamente, os portadores majoritários no emissor são atraídos para o coletor, permitindo o controle da corrente entre emissor e coletor através da base. Esse modo de operação é chamado de região ativa e permite que o TBJ funcione

1. 1
Transistor Bipolar de Junção
(TBJ)
1
Regiane Ragi

2. 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.
2

3. 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
P
N
Emissor Base Coletor
Três regiões de um transistor bipolar
Junção emissor-base Junção base-coletor
3

4. 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.
4

5. Transistor Bipolar de Junção
Os transistores bipolares podem ser de dois tipos:
5
Material
tipo
P
Material
tipo
P
N 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

6. 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.
6
tipo-n
Emissor
tipo-n
Coletor
tipo-p
Base
n-p-n

7. Construção
tipo-n tipo-n
tipo-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.
7

8. tipo-n
Emissor
tipo-n
Coletor
tipo-p
Base
8
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-p
tipo-n
p-n-p

9. 9
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

10. Construção n-p-n
Um fio conecta cada uma das três regiões: emissor,
base e coletor.
tipo-n tipo-n
tipo-p
Contato de
Emissor
Contato de
Coletor
Contato de
Base
Região fortemente
dopada
Região moderadamente
dopada
Região fracamente
dopada
10

11. 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-p
tipo-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.
11

12. 12
P N P
Base
Coletor
Emissor
N P N
Base
Coletor
Emissor
Emissor Base Coletor Emissor Base Coletor

13. 13
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

14. Polarização
Para um transistor bipolar funcionar apropriadamente,
as duas junções p-n devem estar convenientemente
polarizadas.
14

15. 15
Efeitos de se polarizar
separadamente cada junção

16. 16
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.

17. 17
Agora, note o sentido da corrente.

18. 18
Lembre-se que a corrente convencional tem sentido
contrário ao fluxo de elétrons, e mesmo sentido que
o fluxo de lacunas

19. Polarizando-se a junção E-B diretamente com tensão VBE
n n
p
+
-
VBE
iB
19
Emissor Coletor
Base

20. Polarizando-se a junção E-B diretamente com tensão VBE
n n
p
+
-
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
20
Emissor Coletor
Base

21. Polarizando-se a junção E-B diretamente com tensão VBE
+ -
n n
p
+
-
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. 21
Emissor Coletor
Base

22. O mesmo acontece se polarizarmos diretamente a
junção emissor base no caso de um transistor bipolar pnp
+ -
p p
n
-
+
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
22

23. Assim, polarizando-se a junção E-B diretamente com
VBE (n-p-n) e VEB (p-n-p)
+ -
p p
n
-
+
n n
p
+
-
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. 23

24. Analogamente, a junção B-C também comporta-se como
uma junção p-n comum.
-
+
VCB VBC
n n
p p p
n
Corrente de portadores minoritários
+
-
Corrente de portadores minoritários
Alargamento da região
de depleção
Alargamento da região
de depleção
24

25. 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 n
p p p
n
Corrente de portadores minoritários
+
-
Corrente de portadores minoritários
Alargamento da região de
depleção
Alargamento da região de
depleção
25

26. 26
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.

27. 27
Efeitos de se polarizar
simultaneamente ambas as
junções

28. Polarização
Neste cenário, há quatro possíveis combinações,
porém, somente três delas desempenham um papel
significante na eletrônica:
28

29. 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
29

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
ii. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas
Diretamente  condição de saturação
30

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
iii. Junção Base-Emissor polarizada diretamente e Base-
Coletor polarizada Reversamente  operações
lineares (modo ativo)
31

32. Operação
É importante compreender quais são os efeitos de
se polarizar simultaneamente ambas as junções.
32

33. 33
i- Junção Base-Emissor e Base-
Coletor polarizadas Reversamente

34. 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
34

35. Não é usada em operações
lineares, tais como
amplificadores.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
35

36. 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
36

37. 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
37

38. 38
ii - Junção Base-Emissor e Base-
Coletor polarizadas Diretamente

39. 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
39

40. Esta condição é chamada de
saturação.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
40

41. 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
41

42. Comporta-se como um curto-circuito.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
42

43. 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
43

44. 44
iii - Junção Base-Emissor polarizada
diretamente e Base-Coletor
polarizada Reversamente

45. iii - Junção Base-Emissor polarizada diretamente e
Base-Coletor polarizada Reversamente
N N
P
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
Emissor Base Coletor
IC
IE
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.
45

46. -
+
VCB VBC
n n
p p p
n
+
-
+
-
VBE
-
+
VEB
Tensões e correntes nos transistores
n-p-n e p-n-p
iB iB
iE
iE iC iC
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iE
VCB
VBE
VCE
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iE
VEB
VBC
VEC
46

47. Tensões e correntes nos transistores
n-p-n e p-n-p
iE = iB + iC
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iE
VCB
VBE
VCE
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iE
VEB
VBC
VEC
Aplicando-se a segunda lei de Kirchhoff para as tensões:
Aplicando-se a primeira lei de Kirchhoff para as correntes:
VEC = VBC + VEB
Transistor n-p-n Transistor p-n-p
VCE = VBE + VCB
47

48. 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.

49. 49
N N
P
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.
iC
iE
iB
iE = iB + iC

50. 50
50
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 N
P
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
Emissor Base Coletor
iC
iE
iB

51. 51
J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor
Considere a junção J1 em polarização direta e a junção
J2 em polarização reversa.
N N
P
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
Emissor Base Coletor
IC
IE
IB

52. 52
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 N
P
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
Emissor Base Coletor
IC
IE
IB

53. 53
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 N
P
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
Emissor Base Coletor
IC
IE
IB

54. Para entender porque a corrente se dirige menos à base
basta lembrar que a base é mais estreita e fracamente
dopada.
N N
P
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
Emissor Base Coletor
IC
IE
IB
54

55. 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 N
P
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
Emissor Base Coletor
IC
IE
IB
55

56. 56
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 N
P
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
Emissor Base Coletor
IC
IE
IB

57. 57
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 N
P
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
Emissor Base Coletor
IC
IE
IB

58. 58
Pode-se controlar a corrente C-B controlando-se a
polarização E-B.
J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor
N N
P
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
Emissor Base Coletor
IC
IE
IB

59. Nestas condições:
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
59

60. 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
60

61. Sabemos que o emissor é
pesadamente dopado, contendo
muito elétrons livres.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
61

62. 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
62

63. 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
63

64. 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
64

65. 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
65

66. 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
66

67. 95 ~ 99 % dos elétrons fluirão
através do coletor.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
67

68. Assim, definimos o α do transistor
α = IC / IE
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
68

69. Esta configuração é exigida
para transistores operando na
região linear.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
69

70. A saída terá uma forma de onda
idêntica a onda da entrada.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
70

71. Correntes de emissor e coletor
serão aproximadamente iguais.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
71

72. Corrente de base será muito
pequena.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
72

73. Se a corrente de base varia, a
corrente no emissor e coletor
variarão proporcionalmente.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
73

74. Esta é a base para a amplificação.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
74

75. 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
75

76. Em resumo . . .
É importante compreender quais são os efeitos de
se polarizar simultaneamente ambas as junções.
76

77. 77
Disso resulta os modos
de operação do TBJ

78. 78
Modos de operação do
TBJ

79. Modos de operação do TBJ
O transistor pode operar em três diferentes estados:
79

80. 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)
80

81. 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
81

82. 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).
82

83. 83
Cut-off

84. Cut-off ou corte
A corrente de saída do transistor é zero ou desprezível.
84

85. Cut-off
Quando a corrente iC é zero, a tensão de saída é
máxima
 Normalmente igual à tensão de polarização da
fonte.
85

86. Cut-off
Portanto, no modo cut-off
VCE = VCC, e iC = 0,
Onde VCC é a tensão de polarização do gerador.
86

87. Cut-off
Este modo é o oposto da saturação.
87

88. 88
Saturação

89. Saturação
O transistor produzirá a corrente máxima para o
circuito, e o valor dessa corrente é dependente dos
parâmetros do circuito.
89

90. Saturação
O transistor é considerado saturado quando a tensão
coletor-emissor é próxima a zero ou maior do que 0.2 V.
90

91. Saturação
Saturação também pode ser expressa VCE ≈ 0 e iC é o
valor máximo.
91

92. Saturação
Saturação é quando o transistor tem corrente máxima
mas tensão de saída mínima, o oposto do modo cut-off.
92

93. 93
Modo-ativo

94. Modo Ativo
Nesse modo, a corrente de saída iC é controlada pela
corrente de entrada iB.
94

95. Modo Ativo
Modo ativo é útil para projetar amplificadores de
corrente e tensão.
95

96. Modo Ativo
A relação entre as correntes é expressa pela
iE = iC + iB, e iC = β · iB
96

97. Modo Ativo
Isto demonstra que as correntes de coletor e emissor
são funções da iB corrente de entrada.
97

98. Modo Ativo
Quando a corrente de controle é a corrente de base,
dizemos que o dispositivo é controlado por corrente.
98

99. 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.
99

100. 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
100