Transistor bipolar de juncao (TBJ) 1

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1. 1 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) 1 Profa. 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 EMISSOR, BASE e 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 Símbolos 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 do TBJ 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 V BE n n p + - V BE i B 19 Emissor Coletor Base

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

21. Polarizando-se a junção E-B diretamente com tensão V BE + - n n p + - V BE 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. i B A junção E-B funciona como um diodo polarizado diretamente, fazendo fluir através dela uma grande corrente i B 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 - + V EB 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. i B 22

23. Assim, polarizando-se a junção E-B diretamente com V BE ( n-p -n) e V EB (p-n-p) + - p p n - + n n p + - V BE V EB 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. i B i B 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. - + V CB V BC 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. - + V CB V BC 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: 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: Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente  condição de cut-off 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: Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Reversamente  condição de cut-off Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Diretamente  condição de saturação 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) V E = 0 V V B = 0.7 V V C = 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 R E R C + _ _ + V BE V CB Emissor Base Coletor I C I E I B 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. - + V CB V BC n n p p p n + - + - V BE - + V EB Tensões e correntes nos transistores n-p -n e p-n-p i B i B i E i E i C i C Emissor Coletor Base i B i C i E V CB V BE V CE Emissor Coletor Base i B i C i E V EB V BC V EC 46

47. Tensões e correntes nos transistores n-p -n e p-n-p i E = i B + i C Emissor Coletor Base i B i C i E V CB V BE V CE Emissor Coletor Base i B i C i E V EB V BC V EC Aplicando-se a segunda lei de Kirchhoff para as tensões: Aplicando-se a primeira lei de Kirchhoff para as correntes: V EC = V BC + V EB Transistor n-p -n Transistor p-n-p V CE = V BE + V CB 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 R E R C + _ _ + V BE V CB Emissor Base Coletor Fluxo de corrente em um transistor npn polarizado de modo a operar na região ativa . Sentido convencional das correntes . i C i E i B i E = i B + i C

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 R E R C + _ _ + V BE V CB Emissor Base Coletor i C i E i B

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 R E R C + _ _ + V BE V CB Emissor Base Coletor I C I E I B

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 R E R C + _ _ + V BE V CB Emissor Base Coletor I C I E I B

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 R E R C + _ _ + V BE V CB Emissor Base Coletor I C I E I B

54. Para entender porque a corrente se dirige menos à base basta lembrar que a base é mais estreita e fracamente dopada. 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. 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 R E R C + _ _ + V BE V CB Emissor Base Coletor I C I E I B

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 R E R C + _ _ + V BE V CB Emissor Base Coletor I C I E I B

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 R E R C + _ _ + V BE V CB Emissor Base Coletor I C I E I B

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 = I C / I E 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 = I C / I B = h FE 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 ,   i C é controlada pela corrente de base, i B , ( 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 ,   i C é controlada pela corrente de base, i B , ( 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   i C 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 V CE  =  V CC , e  i C  = 0, Onde V CC 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 V CE  ≈ 0 e   i C 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 i C é controlada pela corrente de entrada i B . 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 i E  = i C  + i B , e i C  = β · i B 96

97. Modo Ativo Isto demonstra que as correntes de coletor e emissor são funções da i B 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 = I C / I B = h FE O alfa do transistor α = I C / I E 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