Transistores BIPOLAR-FEPL.pdf286867866576

Didácticos

1. TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA PL
CURSO DE LICENCIATURA EM ENGENHARIA ELECTRICA
UEM 2023

2. Onometransistorvemda
frase“transferringan
electricalsignalacrossa
resistor

3. Plano de Aula
•Contextualização
•Objetivo
•Definições e Estrutura
•Características Tensão-Corrente
•Modos de Operação
•Aplicações Básicas
•Conclusões

4. Contextualização
•Onde os transistores bipolares são usados?
•Veja mais exemplos em: www.nxp.com → bipolar
transistors → application notes

5. Objetivo
•Visão geral sobre os transistores bipolares
•Compreender seus diferentes modos de
operação
•Conhecer algumas aplicações básicas

6. Questões Chave
•Qual a estrutura de um transistor bipolar?
•Como um transistor de junção bipolar opera?
•Quais são as principais dependências das
correntes de terminal de um BJT no regime ativo
direto?

7. Definições
•O BJT é um dispositivo de 3 terminais
– Dois tipos diferentes: npn e pnp.
•Os símbolos do BJT e seus diagramas de bloco correspondentes:
•Os BJTs tem 2 junções (fronteira entre as regiões n e p).

8. Estrutura
•Por enquanto é suficiente dizer que a estrutura mostrada na figura
anterior não é simétrica.
•As regiões n e p são diferentes tanto geometricamente quanto em
termos de concentração de dopagem.
•Por exemplo, a concentração de dopagem no coletor, base e
emissor devem ser 10
15
, 10
17
e 10
19
respectivamente.
•Portanto, o comportamento do dispositivo não é electricamente
simétrico e as duas terminações não podem ser permutados.
Atividade Extra-Classe: Ler sobre a estrutura do BJT. Sedra, Cap.5,
Sec. 5.1 a 5.3 / Boylestad Cap.3, Sec. 3.1 a 3.3

9. Estrutura

10. Modos de Operação
•Como cada junção possui dois modos de polarização (direta ou
reversa), o BJT com suas duas junções têm 4 modos possíveis de
operação.
–Ativa Direta: dispositivo tem boa
isolação e alto ganho  regime mais
útil;
–Saturação: dispositivo não tem
isolação e é inundado com
portadores minoritários). Leva tempo
para sair da saturação  evitar!
–Ativa Reversa: ganho baixo  pouco
útil;
–Corte: corrente desprezível: quase
um circuito aberto  útil;

11. Operação no Modo Ativo Direto
•Considerando o circuito abaixo:
–A junção Base-Emissor (B-E)
é polarizada diretamente
–A junção Base-Coletor (B-C)
é polarizada reversamente.
–A corrente através da junção
B-E está relacionada a
tensão B-E por:
IE = I
S (e
V
BE − 1)
V
T

12. Operação no Modo Ativo Direto

13. Operação no Modo Ativo Direto
•Devido as grandes diferenças de dopagem das regiões
do emissor e da base, os elétrons injetados na região da
base (da região do emissor) resulta na corrente do
emissor (I
E).
•Além disso o número de elétrons injetados na região do
coletor é diretamente relacionado aos elétrons injetados
na região de base a partir da região do emissor.
•Portanto, a corrente de coletor está relacionada a
corrente do emissor que é conseqüentemente uma
função da tensão B-E.

14. Operação no Modo Ativo Direto
A tensão entre dois terminais controla a
corrente através do terceiro terminal.
Este é o princípio básico do BJT!
(efeito transistor)!
IC controlada por v
BE, independente de v
BC

15. Operação no Modo Ativo Direto
•A corrente de coletor e a corrente de base estão
relacionadas por:
e aplicando a LCK obtemos:
IE = I
C + I
B
•Então, das equações anteriores, o relacionamento entre
as correntes de emissor e base:
IE = (1 +  )I
B
Ic
= I
B
β depende da largura da região
da base e das dopagens
relativas das regiões da base e
do emissor.

16. Operação no Modo Ativo Direto
•e equivalentemente
•A fração é chamada de α e i
E pode ser escrita como:
•Para transistores de interesse, β = 100 que corresponde a α = 0.99 e
IC  I
E
•BJTs estado-da-arte atuais: I
C ~ 0,1 − 1mA, β ~ 50 − 300.
•β é difícil de controlar rigorosamente. Técnicas de projeto de circuito
são necessárias para insensitividade a variações em β.
I
C =
1 + 
I
E

1+ 

T
BE
V
v
I
S
IE =

e

17. Operação no Modo Ativo Direto
•Modelo de circuito equivalente

18. Operação no Modo Ativo Direto
•A direção das correntes e as polaridades das
tensões para NPN e PNP.

19. Características Tensão-Corrente
•Três tipos diferentes de tensões envolvidas na
descrição de transistores e circuitos. São elas:
–Tensões das fontes de alimentação:V
CC e V
BB
–Tensões nos terminais dos transistores:V
C , V
B e V
E
–Tensões através das junções: V
BE , V
CE e V
CB

20. Características Tensão-Corrente
•Os 3 terminais dos transistores e as duas junções,
apresentam múltiplos regimes de operação
•Para distinguir estes regimes, temos que olhar as
características tensão-corrente do dispositivo.
•A característica mais importante do BJT é a o traçado da
corrente de coletor (I
C) versus a tensão coletor – emissor
(V
CE), para vários valores da corrente de base I
B.

21. Características Tensão-Corrente
•Curva característica qualitativa do BJT.
•O gráfico indica as 4 regiões de operação: saturação,
corte, ativa e ruptura.

22. Características Tensão-Corrente
•Região de Corte (cutoff):
junção Base-Emissor é
polarizada reversamente. Não
há fluxo de corrente.
•Região de Saturação: junção
Base-Emissor polarizada
diretamente, junção Coletor-
Base é polarizada
diretamente.I
C atinge o
máximo, que é independente
de I
B e β. Sem controle. V
CE <
V
BE
•Região Ativa: junção Base-
Emissor diretamente
polarizada, junção Coletor-
Base polarizada reversamente.
Controle, I
C = β I
B . V
BE < V
CE <
V
CC
•Região de Ruptura
(Breakdown): I
C e V
CE
excedem as especificações.
Dano ao transistor.

23. Aplicações do BJT
•Como Chave
– Se a tensão v
i for menor que a tensão necessária para
polarização direta da junção EB, então I
B=0 e o
transistor está na região de corte e I
C=0. Como I
C=0, a
queda de tensão sobre R
C é 0 e então V
o=V
CC .

24. Aplicações do BJT
•Como Chave (cont.)
– Se a tensão v
i aumenta de modo que a tensão V
BE polariza
diretamente a junção BE, o transistor ligará e
– Uma vez “ligado”, ainda não
sabemos se ele está operando
na região ativa ou saturação
B
=
v
i −V
BE
B
R
I

25. Aplicações do BJT
•Como Chave (cont.)
– Entretanto, aplicando LTK no laço C-E, temos:
ou
–A equação acima é a equação
da linha de carga para este
circuito.
–Note que V
CE = V
o
= V
CC − I
C R
C
V
CE
CEC CCC R + V = 0+I−V

26. Aplicações do BJT
•Como Chave (cont.)
– Equação da linha de carga:
V
CE = V
CC − I
C R
C

27. Principais Conclusões
•O emissor “injeta” elétrons na base
•O coletor “coleta” elétrons da base
•A base “injeta” lacunas no emissor
•I
C controlada por V
BE, independente de V
BC (efeito
transistor)
•Modo Ativo Direto: mais útil, dispositivo tem ganho e
isolação.
•Saturação: dispositivo inundado com portadores
minoritários. Não é útil.
•Corte: dispositivo aberto. Útil.

28. Referências
•SEDRA, A. S. e SMITH, K. C., Microeletrônica, 5a.
Edição, Makron Books, 2005.
•BOYLESTAD, R. L. e NASHELSKY, L., Dispositivos
Eletrônicos e Teoria de Circuitos, 6a. Edição, Editora
PHB, 1998.