Transistores Bipolares de Junção (BJT) · O nome transistor vem da frase “ trans ferring an electrical signal across a res istor

Transistores Bipolares de Junção (BJT)

TE214 Fundamentos da EletrônicaEngenharia Elétrica

O nome transistor vem da frase “transferring

an

electrical

signal across

a resistor

Plano de Aula

•

Contextualização•

Objetivo

•

Definições e Estrutura•

Características Tensão-Corrente

•

Modos de Operação•

Aplicações Básicas

•

Conclusões

Contextualização

•

Onde os transistores bipolares são usados?

•

Veja mais exemplos em: www.nxp.com

bipolar transistors application notes

http://www.nxp.com/

Objetivo

•

Visão geral sobre os transistores bipolares

•

Compreender seus diferentes modos de operação

•

Conhecer algumas aplicações básicas

Questões Chave

•

Qual a estrutura de um transistor bipolar?

•

Como uma transistor de junção bipolar opera?

•

Quais são as principais dependências das correntes de terminal de um BJT no regime ativo direto?

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).

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 1015, 1017

e 1019

respectivamente.

•

Portanto, o comportamento do dispositivo não é

eletricamente 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

Estrutura

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;

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:

)1( TBE VVSE eIi



•

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 (iE

).

•

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.


A tensão entre dois terminais controla a corrente através do terceiro terminal.

Este é

o princípio básico do BJT!(efeito transistor)!

iC

controlada por vBE

, independente de vBC


•

A corrente de coletor e a corrente de base estão relacionadas por:

e aplicando a LCK obtemos:

•

Então, das equações anteriores, o relacionamento entre as correntes de emissor e base:

BC ii

BCE iii

BE ii )1( β

depende da largura da região

da base e das dopagens relativas das regiões da base e do emissor.


•

e equivalentemente

•

A fração é

chamada de α

e iE

pode ser escrita como:

•

Para transistores de interesse, β

= 100 que corresponde a α

= 0.99 e iC

iE

•

BJTs

estado-da-arte

atuais: iC

~ 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.

EC ii

1

1

TBE

Vv

SE eIi


•

Modelo de circuito equivalente


•

A direção das correntes e as polaridades das tensões para NPN

e PNP.


•

Três tipos diferentes de tensões envolvidas na descrição de transistores e circuitos. São elas: –

Tensões das fontes de alimentação:VCC

e VBB

–

Tensões nos terminais dos transistores:VC

, VB

e

VE

–

Tensões através das junções: VBE

, VCE

e VCB


•

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 (IC

) versus a tensão coletor –

emissor (VCE

), para vários valores da corrente de base IB

.


•

Curva característica qualitativa do BJT.•

O gráfico indica as 4 regiões de operação: saturação, corte, ativa e ruptura.


•

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.IC

atinge o máximo, que é

independente

de IB

e β. Sem controle. VCE

< VBE

•

Região Ativa: junção Base- Emissor

diretamente

polarizada, junção Coletor- Base

polarizada reversamente.

Controle, IC

= β

IB

. VBE

< VCE

< VCC

•

Região de Ruptura (Breakdown):

IC

e VCE

excedem as especificações. Dano ao transistor.

Aplicações do BJT

•

Como Chave–

Se a tensão vi

for menor que a tensão necessária para polarização direta da junção EB, então IB

=0 e o transistor está

na região de corte e IC

=0. Como IC

=0, a queda de tensão sobre RC

é

0 e então Vo

=VCC .

Aplicações do BJT

•

Como Chave (cont.)–

Se a tensão vi

aumenta de modo que a tensão VBE

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

BEiB R

VvI

Aplicações do BJT

•


Entretanto, aplicando LTK no laço C-E, temos:

ou

–

A equação acima é

a equação da linha de carga para este circuito.

–

Note que VCE

= Vo

CCCCCE

CECCCC

RIVV

VRIV

0

Aplicações do BJT

•


Equação da linha de carga:

CCCCCE RIVV

Aplicações do BJT

•

Lógica Digital–

Circuito inversor básico

–

Se a tensão vi

for zero (baixa) o transistor está

na região de

corte, a corrente IC

=0 e a tensão Vo

=VCC

(alta).

–

Por outro lado, se a tensão vi

for alta, igual a VCC

, por exemplo, o transistor é

levado a saturação e

a saída é

igual a VCE(sat)

que é baixa.

Este circuito é

a base para construirmos qualquer outra operação lógica.

Aplicações do BJT

•

Exercício: Lógica Digital

–

Para o circuito abaixo, complete a tabela lógica

V1 V2 Vo

Alto BaixoBaixo Alto

Baixo Baixo

Alto Alto

Aplicações do BJT

•

Como Amplificador

–

O circuito inversor básico também forma o circuito amplificador básico.

–

A curva de transferência de tensão (tensão de saída em função da tensão de entrada) é

a caracterização

fundamental de um amplificador

Aplicações do BJT

•

Como Amplificador (cont.)–

Curva de transferência de tensão

–

Note a grande inclinação da curva no modo ativo.

–

Uma pequena mudança na tensão de entrada vi

induz uma grande mudança na tensão de saída Vo

–

uma amplificação.

Aplicações do BJT

•

Como Amplificador (cont.)–

Curva de transferência de tensão

Principais Conclusões

•

O emissor “injeta”

elétrons na base•

O coletor “coleta”

elétrons da base

•

A base “injeta”

lacunas no emissor

•

IC

controlada por VBE

, independente de VBC

(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.

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.

Próxima Aula

•

Circuitos para polarização de BJTs•

Análise DC

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