Transistores Bipolares de Jução
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25/06/17 148089282 1/8 Transistores Bipolares de Junção - TBJ 1. Introdução Primeiro componente construído com semicondutor de três terminais. Até a década de setenta era o semicondutor mais empregado. Continua o mais adequado para circuitos que trabalhem sob condições ambientais extremas adversas como é o caso da eletrônica automotiva. Mais adequado para circuitos analógicos de alto desempenho como é o caso de circuitos de alta corrente e alta freqüência como os circuitos de radio freqüência (RF) de transmissão e recepção. Componentes mistos: BiMOS e BiCMOS de nova geração. É tão bem conhecido que permite a construção de circuitos de comportamento previsível e quase independentes de variações nas suas características. 2. Construção e Operação Fig. 1 Estrutura simplificada de transistores NPN e PNP, polarização e fluxo de corrente no modo ativo. Três terminais, Duas junções NP ou PN em oposição sendo o elemento central comum, Emissor e Coletor nas extremidades Base no meio 25/06/17 148089282 2/8 3. Operação no modo ativo Polarização: Voltagem direta na junção entre base e coletor, Voltagem reversa inversa entre base e emissor Fluxo de corrente (analisado como exemplo o caso do transistor npn): Apenas é considerada a corrente de difusão e desprezada a corrente de deriva que é muito menor. A corrente no emissor (que é tipo N) possui dois componentes: elétrons e lacunas. Pela dopagem forte do emissor em comparação com a dopagem fraca da base, consegue-se fazer com que, a componente da corrente constituída por elétrons predomine sobre a componente de lacunas. Elétrons, que são portadores majoritários no emissor, são injetados na base onde são portadores minoritários. A concentração de elétrons na base apresenta uma distribuição que é função da largura da base, da polarização de suas bordas e da velocidade de recombinação entre elétrons e as lacunas que são portadores majoritários na base. Fig. 3 Perfis de concentração de portadores minoritários no emissor e na base de um transistor operando no modo ativo (VBE>0 e VCB ≥ 0) A concentração de elétrons na base é maior na região mais próxima do emissor, seu valor é: np(0) = np0 exp (vBE/VT) (1) O gradiente de concentração dá origem a uma corrente de difusão In que é expressa pela equação: I n AE qDn dn p ( x) dx (2) onde o gradiente AE = área da seção de corte junção Base- Emissor q = carga do elétron Dn = constante de difusão dos elétrons na base W = largura efetiva da base dn p ( x) dx n p (0) W (3) 25/06/17 148089282 3/8 Relações Corrente – Tensão para o TBJ no modo ativo pnp (substituindo vBE por vEB) npn iC = IS EXP( vBE / VT) (4) iC = IS EXP( vEB / VT) (4) iB = (IS /β) EXP( vBE / VT) = iC /β (5) iB = (IS /β) EXP( vEB / VT) = iC /β (5) iE = (IS /α) EXP( vBE / VT) = iC /α (6) iE = (IS /α) EXP( vEB / VT) = iC /α (6) De (4), (5) e (6) pode-se facilmente derivar: iC = α iE (7) iB = (1- α) iE = iE / ( β + 1) (10) iC = β iB (8) iE = (β +1) iB (11) β = α / (1- α) (9) α = β / (β + 1) (12) 25/06/17 148089282 4/8 2-Modelos Equivalentes para grandes sinais a) Circuito Base comum: Entrada entre E e B, saída entre C e B Na figura a é mostrado o modelo equivalente (base comum). Neste modelo o diodo DE apresenta uma corrente iE = (IS /α) EXP( vBE / VT) controlada por vB. sendo sua corrente de escala dada por IS/α, sendo IS a corrente de escala do coletor. Na figura b é representada a fonte de corrente no coletor controlada por iE sendo α (<1), o ganho de corrente na configuração base comum. b) Circuito Emissor comum: Entrada entre B e E , saída entre C e E Na figura c é mostrado o modelo equivalente (emissor comum) em que a corrente de escala IS para o coletor é relacionada à corrente de escala IS/β do diodo DB . Na figura d é apresentado que a fonte de corrente no coletor é controlada por iB sendo β o ganho de corrente na configuração emissor comum A titulo de exercício tente representar os modelos de um transistor pnp para grandes sinais com as configurações base comum e emissor comum. Símbolos e convenções: 25/06/17 148089282 5/8 3 - Representação Gráfica das características do transistor IC =IS EXP (vBE/VT) 4 – Dependência de Ic da tenssão do coletor - O Efeito Early Idealmente, um transistor na configuração emissor comum (no qual a entrada se da entre base e emissor e a saída entre coletor e emissor) tem resistência de saída infinita, entretanto em transistores reais esta resistência é finita (efeito Early). IC =IS EXP (vBE / VT) (1+vCE/VA) VA /IC r0 = [∂iC / ∂vCE|vBE = constante ]-1 r0 = 25/06/17 148089282 6/8 5 - Analise cc de circuitos com transistores Recomendo a resolução de todos os exercícios resolvidos e propostos entre as paginas 222 e 239 6 – O transistor como amplificador Para o circuito (b) acima podemos aplicar as seguintes relações para a condição CC . Chamamos a isto Polarização iC = IS EXP( VBE / VT) iE = iC /α iB = iC /β vC = VCE = VCC - IC RC Ao introduzir o gerador de sinais no circuito (a) passamos a ter um sinal variável que pode ser decomposto em dois componentes um continuo puro e um alternado puro. Corrente de coletor e transcondutância vBE =VBE +vbe iC = IS EXP( vBE / VT) iC = IS EXP( (VBE +vbe) / VT) = IS EXP( VBE / VT) × EXP( vbe / VT) iC = IC EXP( vbe / VT) EXP( vbe / VT) = (1+vbe/VT) iC = IC (1+vbe/VT) = IC +(IC /VT) vbe = IC +gmvb = IC +iC gm = IC /VT 25/06/17 148089282 7/8 O que é importante destas relações é 1 - a corrente de coletor tem duas componentes, uma contínua (de polarização) e outra de sinal 2 – a transcondutância gm (dimensionalmente 1/Ω), que representa a função de transferência do sinal vb para iC é função (diretamente proporcional) da corrente de coletor (IC ) e de VT que é a chamada tensão térmica. Exemplo de gm 40 mA/V (para IC = 1mA) Graficamente pode-se determinar gm por gm =∂iC /∂vBE | iC = IC , como pode ser visto na figura abaixo Para pequenos sinais onde vBE << VT pode-se assumir linearidade entre IC e VBE Neste caso o transistor se comporta como uma fonte de corrente controlada por tensão. 25/06/17 148089282 Corrente de Base e Resistência de entrada da Base iB = iC / β = ( IB + ib ) / β = IC / β + vBE (IC /VT) / β iB = IB + ib onde IB = IC / β e ib = vBE (IC /VT) / β como gm = IC /VT ib = vBE ( gm / β ) A resistencia de entrada da base olhando para terminal da base é: rπ= vBE / ib = β / gm alternativamente rπ = VT / IB Corrente de Emissor e Resistência de entrada da Emissor iE = iC / α = IC / α + ic / α ie = ic / α = (IC /αVT) vbe = (IE /VT ) vbe A resistencia de emissor olhando para terminal do emissor é: re = vbe / ie = VT / IE re = α / gm = 1/ gm A relação entre rπ e re vbe = rπ ib = re ie rπ = ( ie / ib) re = (β +1) re Ganho de tensão vC = VCC – iC Rc = VCC – ( IC - i c) Rc = (VCC – Rc IC) - ic Rc vC = Vc - ic Rc = - gm vbe Rc vC / vbe = - gm Rc 8/8
