Transistores Bipolares de Jução

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Transistores Bipolares de Junção - TBJ
1. Introdução
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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
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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)
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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)
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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:
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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 =
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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
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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.
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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
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