ET74C – Eletrônica 1 Operação

TRANSISTORES BIPOLARES
Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto ([email protected])
ET74C – Eletrônica 1
19 de Outubro de 2015
Objetivo da Aula
 Iniciar o estudo do transistor bipolar de junção.
ET74C – Eletrônica 1
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Conteúdo Programático
 Estrutura do transistor bipolar de junção;
 Operação do Transistor bipolar de junção;
 Configurações do Transistor bipolar de junção
– Base-Comum;
– Emissor-Comum;
– Coletor-Comum.
ET74C – Eletrônica 1
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Construção de Conhecimento
esperado
 Familiarizar-se com a estrutura e operação do
transistor bipolar de junção, ser capaz de
identificar e aplicar a polarização adequada
para o transistor trabalhar na região ativa e
identificar as três regiões de operação do
transistor na curva de saída.
ET74C – Eletrônica 1
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Divisão dos Transistores
NPN
Transistor
Bipolar
PNP
ET74C – Eletrônica 1
Tipo de portador
majoritário
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O que significa Bipolar?
Bipolar
Unipolar
ET74C – Eletrônica 1
• Dois tipos de portadores envolvidos
no processo de condução de
corrente;
• Elétrons e Lacunas.
• Um único tipo de portador envolvido
no processo de condução de
corrente;
• Elétrons para o JFET de canal n;
• Lacunas para o JFET de canal p.
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Estrutura do Transistor
 Construção
– Transistor Bipolar de Junção (TBJ) ou Bipolar Junction
Transistor (BJT):
• Elétrons e lacunas participam do processo de injeção.
– Construção análoga à do diodo:
• No diodo, junta-se semicondutores do tipo P e N, com mesmo
nível de dopagem. Porém, no TBJ o nível de dopagem é
distinto.
– Temos dois tipos de combinação para formar o TBJ:
• Junção de materiais do tipo P, N, e P;
• Junção de materiais do tipo N, P e N.
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Estrutura do Transistor
 Construção
– Transistor não polarizado
Junção 2
Base-coletor
Junção 1
Base-emissor
Portador
Majoritário
ET74C – Eletrônica 1
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Estrutura do Transistor
 Construção
– Transistor não polarizado
Comportamento
Análogo ao diodo
Após a difusão
ET74C – Eletrônica 1
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Estrutura do Transistor
 Construção
– Relação entre o tamanho de cada camada.
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Estrutura do Transistor
 Construção
– Emissor
• Material fortemente dopado.
– Base
• Material levemente dopado (resistência alta).
• Largura 150 vezes menor do que a largura do transistor.
– Coletor
• Material moderadamente dopado.
– Importante
• Diferentes dopagens para os materiais do transistor.
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Estrutura do Transistor
 Operação (pnp)
– Com tensão VEE aplicada na junção base-emissor,
• Polarização direta.
• Redução da zona de depleção na junção p-n.
• fluxo de portadores majoritários.
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Estrutura do Transistor
 Operação (pnp)
– Com tensão VCC aplicada na junção coletor-base,
• Polarização reversa.
• Aumento da zona de depleção na junção p-n.
• fluxo de portadores minoritários.
– Tal fluxo depende da temperatura.
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Estrutura do Transistor
 Operação (pnp)
– Polarização:
• Direta na junção base-emissor
• Reversa na junção coletor-base
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Estrutura do Transistor
 Operação (pnp)
– iE  corrente no emissor
• Induzida pela polarização direta
– iB  corrente na base
• Pela baixa dopagem, parte dos portadores majoritários
do emissor seguem pela base (ordem de μA)
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Estrutura do Transistor
 Operação (pnp)
– iC  corrente no coletor
• Parcela devida aos portadores minoritários (iCO)
– Parcela devido aos portadores majoritários da
junção emissor-base (iC-majoritários).
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Estrutura do Transistor
 Operação (pnp)
– iC  corrente no coletor
• Injeção de “minoritários” no material de base.
– iC = iCO + iC-majoritários
– Lei das correntes: iE = iC + iB
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Estrutura do Transistor
 Operação (npn)
– iC = iCO + iC-majoritários
– Lei das correntes: iE = iC + iB
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Os transistores BJT operam na região ativa
sempre que:
– Junção base-emissor é polarizada diretamente.
– Junção coletor-base é polarizada reversamente.
 Símbolo e sentido da corrente
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NPN
Fluxo convencional
De corrente (lacunas)
PNP
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Operação
 Configurações
– Base-comum
– Emissor-comum
– Coletor-comum
O termo “comum” refere-se a qual terminal do
transistor é comum às suas seções de entrada e
de saída.
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Operação
 Base-Comum
NPN
BC547A
PNP
BC557A
VEE
VEE
VCC
0
VCC
0
Ponto Comum
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Base-Comum
NPN
BC547A
PNP
BC557A
VEE
VCC
0
VEE
VCC
0
Seção de entrada
(junção base-emissor polarizada diretamente)
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Base-Comum
NPN
BC547A
PNP
BC557A
VEE
VCC
0
VEE
VCC
0
Seção de Saída
(junção coletor-base polarizada reversamente)
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Operação
 Base-Comum
– Corrente do emissor X Tensão da junção baseemissor.
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Operação
 Base-Comum
– Tensões abaixo de um patamar não polarizam
diretamente a junção base-emissor (VBE)
• Semelhante ao diodo;
• Independente da tensão na junção coletor-base;
• Corrente no emissor (iE) é forçada a zero.
– A partir desse patamar, a corrente sofre leve influência
da tensão na junção coletor-base (VCB).
– “Geralmente”, podemos assumir VBE=0,7 V como tensão
para “ligar” o transistor.
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Operação
 Base-Comum
Aproximação para o comportamento
na seção de entrada
– Corrente do emissor X Tensão da junção baseemissor.
VBE  0,7V –
transistor “ligado”
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Operação
 Base-Comum
– Corrente do emissor X Tensão da junção baseemissor.
VBE  0,7V – transistor “ligado”  para
qualquer valor de corrente de emissor
que seja controlada pelo circuito
externo.
Ou seja, se o transistor estiver na região
ativa, pode-se especificar de imediato
que VBE = 0,7V.
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Operação
 Base-Comum
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletorbase.
Região Ativa
Região de Corte
Região de Saturação
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Operação
 Base-Comum – Região Ativa
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletorbase.
• A junção base-emissor é polarizada diretamente
• A junção coletor-base é polarizada reversamente ,
– Fluxo de portadores majoritários e minoritários
• O transistor está operacional
– Pode funcionar como amplificador.
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Operação
 Base-Comum
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletorbase.
Região Ativa
Faixa de
operação como
amplificador
linear
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Base-Comum – Região de Corte
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletor-base.
•
•
•
•
A junção base-emissor é polarizada reversamente
A junção coletor-base é polarizada reversamente ,
Não temos fluxo de portadores majoritários (iC-majoritários=0)
Apenas fluxo de portadores minoritários (iCBO = iCO>0)
– Lembre-se... iCO é da ordem de μA
– iCBO  corrente em “CB” quando “E” é aberto.
– Temos então o corte do transistor.
• Resistência elevada na junção “virtual” coletor-emissor.
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Operação
 Base-Comum – Região de Corte
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletorbase.
Emissor aberto
BC557A
BC547A
iCBO
VEE
ET74C – Eletrônica 1
VCC
iCBO
VEE
VCC
0
0
PNP
NPN
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Operação
 Base-Comum – Região de Corte
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletorbase.
O
amplificador
está
basicamente desligado.
Há tensão, mas pouca
corrente.
“Chave Aberta”
Região de Corte
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Operação
 Base-Comum – Região de Saturação
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletorbase.
• A junção base-emissor é polarizada diretamente
• A junção coletor-base é polarizada diretamente ;
– Qualquer pequena variação positiva de VCB provoca
aumento exponencial da corrente no coletor (iC);
– Temos então a saturação do transistor.
• Resistência nula na junção “virtual” emissor-coletor.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Base-Comum – Região de Saturação
O amplificador está
totalmente ligado.
Há corrente, mas
pouca tensão.
ET74C – Eletrônica 1
Região de Saturação
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletorbase.
A esquerda
de VCB = 0
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Operação
 Base-Comum
– Para a região ativa:
• Similaridade entre iC e iE.
• Na prática temos:
– αDC = iC-majoritários/iE (para sinais CC)
» O índice DC refere-se a valor de α definido em um ponto da
curva na região de operação. Apenas para portadores
majoritários.
– αAC = ΔiC-majoritários/ΔiE (para sinais CA)
Definido para
» O índice AC refere-se a variação de IC em relação a IE em um
o ponto de
ponto da curva na região de operação (para um VCB
operação
específico). O ponto de operação move-se sobre a curva
característica.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Base-Comum
– Para a região ativa:
• iC = iCO + iC-majoritários
• iC = αiE + iCBO
– Geralmente
 Varia entre
0,9 e 0,99
• αDC = αAC = α
– Lembrando que:
• Lei das correntes: iE = iC + iB
• iE ≈ iC
– Então: (para efeitos de análise):
• iB ≈ zero
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Base-Comum
– As condições descritas implicam na configuração
abaixo:
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Base-Comum
– Região de Ruptura
Região de Ruptura
Aumento elevado da
corrente IC pequenos
aumentos de VCB.
ET74C – Eletrônica 1
limite
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Operação
 Emissor-Comum
NPN
PNP
BC557A
BC547A
VCC
VCC
VBB
VBB
0
0
Ponto Comum
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum
NPN
PNP
BC557A
BC547A
VCC
VCC
VBB
VBB
0
0
Seção de entrada
(polarizada diretamente a junção base-emissor)
ET74C – Eletrônica 1
41
Operação
 Emissor-Comum
NPN
PNP
BC557A
BC547A
VCC
VCC
VBB
VBB
0
0
Seção de saída
(polarizada reversamente a junção coletor-base
através da tensão coletor-emissor)
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum
– Corrente da base X Tensão da junção base-emissor.
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Operação
 Emissor-Comum
– Corrente da base X Tensão da junção base-emissor.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum
– Corrente da base X Tensão da junção base-emissor.
• Tensões abaixo de um patamar não
diretamente a junção base-emissor (vBE).
polarizam
– Semelhante ao diodo.
– Independente da tensão na junção coletor-emissor.
– Corrente na base (iB) é forçada a quase zero.
• A partir desse patamar, a corrente sofre influência da
tensão na junção coletor-emissor (VCE).
• “Geralmente”, podemos assumir VBE=0,7V como tensão
para “ligar” o transistor.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
Não tão lineares 
influência de VCE.
Região Ativa
Região de Corte
Região de Saturação
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum – Região de Saturação
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
• A junção base-emissor é polarizada diretamente
• A junção coletor-base é polarizada diretamente
• Tensão VCE-sat  Tensão de saturação entre coletor e
emissor.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum – Região de Saturação
Região de Saturação
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum– Região de Saturação
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
• Qualquer pequena variação positiva de VCE provoca
aumento exponencial da corrente no coletor (iC);
• Temos então a saturação do transistor;
• Resistência nula na junção “virtual” coletor-emissor.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum – Região de Corte
– A junção base-emissor é polarizada reversamente
– A junção coletor-base é polarizada reversamente
– Temos então o corte do transistor.
– Resistência elevada na junção “virtual” coletoremissor.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum – Região de Corte
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
BC557A
BC547A
iCEO
iCEO
VCC
VCC
VBB
VBB
0
PNP
ET74C – Eletrônica 1
0
NPN
51
Operação
 Emissor-Comum – Região de Corte
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
ET74C – Eletrônica 1
Região de Corte
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Operação
 Emissor-Comum – Região de Corte
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
• Quando a corrente na base é zero, temos uma corrente
não-nula no coletor.
– Temos que iC = α iE + iCBO = α (iC + iB) + iCBO;
– Rearranjando: iC = [α iB / (1 - α)] + [iCBO / (1 - α)];
– Para a situação de iB = zero: iC = iCBO / (1 - α).
• Definiremos então a grandeza
– iCEO = iCBO / (1 – α) ou iCEO = iC para iB = zero.
– iCEO depende da temperatura pois, iCBO comporta-se assim.
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Operação
 Emissor-Comum– Região de Corte
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
• Para amplificação linear, a região de corte para a
configuração emissor-comum é definida por IC = ICEO.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum – Região Ativa
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
• A junção base-emissor é polarizada diretamente
• A junção coletor-base é polarizada reversamente
• O transistor está operacional
– Pode funcionar como amplificador.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum – Região Ativa
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
Região de operação
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
• Há relação entre iC e iB.
• βDC = iC/iB(considerando sinal CC)
– O índice DC refere-se ao valor de β definido em um ponto da
curva na região de operação.
• βAC = ΔiC/ΔiB (considerando sinal CA)
– O índice AC refere-se a variação de IC em relação a IE em um
ponto da curva na região de operação (para um VCE específico).
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletor-emissor.
• βDC = hFE (em folha de dados);
• βAC = hfe (em folha de dados);
• São “fatores de amplificação de corrente direta em emissor
comum”
– Termo “h” vem do modelo híbrido do transistor;
– Termos “fe” e “FE” são “forward current in common-emissor
configuration”;
• hFE é obtido da curva a partir do ponto de operação Q.
• hfe é obtido da curva a partir do intervalo de variação em torno
de Q.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
• βDC ≠ βAC por causa de iCEO ≠ zero
– Se iCEO = zero  βDC = βAC.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
• As curvas iC x vCE possuem uma inclinação
– Resistência intrínseca na saída do emissor-comum.
ET74C – Eletrônica 1
60
Operação
 Emissor-Comum
– Corrente do coletor X Tensão da junção coletoremissor.
• Primeiramente, relacionando α e β
– iE = iC + iB  iC / α = iC + iC / β
– α = β / (β + 1) ou β = α / (1 – α)
• Isso implica em:
– iCEO = (β + 1) iCBO
– iE = (β + 1) iB
• Essas são relações importantes para análise de circuitos
com transistores.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Emissor-Comum
– Região de Ruptura
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Coletor-Comum
NPN
PNP
BC547A
BC557A
VEE
VEE
VBB
VBB
0
0
Ponto Comum
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Coletor-Comum
NPN
PNP
BC547A
BC557A
VEE
VEE
VBB
VBB
0
0
Seção de entrada
(Polarizada diretamente a junção base-emissor
através da tensão emissor-coletor)
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Coletor-Comum
NPN
PNP
BC547A
BC557A
VEE
VEE
VBB
VBB
0
0
Seção de saída
(polarizada reversamente a junção coletor-base)
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Coletor-Comum
– As curvas de comportamento são aproximadamente
as mesmas do emissor comum.
• Entrada: iB  vBE para diferentes valores de vECs;
• Saída: iE  vEC para diferentes valores de iBs;
– E não vCE.
– Como é iE e não iC, haverá pequena diferença devido a α.
» iC = α iE.
» Se α fosse 1, as curvas de saída das configurações emissorcomum e coletor-comum seriam iguais.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Limites de Operação
• Condições para o transistor não queimar:
– Corrente máxima no coletor (iC-max)
– Tensão máxima coletor-emissor (vCE-max)
» “breakdown” – v(br)CE
• Potência máxima de dissipação (PC-max)
– Contidas na folha de dados do transistor.
ET74C – Eletrônica 1
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Operação
 Limites de Operação
• Base-comum:
PCmáx  VCBIC
• Emissor-comum:
PCmáx  VCEIC
• Coletor-comum:
PCmáx  VCEI E
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Operação
 Exemplo de folha de dados
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Operação
 Exemplo de folha de dados
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Referências Utilizadas
 BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis.
Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11.
ed. São Paulo: Pearson education do Brasil, 2013.
 SEDRA,
Adel
S.;
SMITH,
Kenneth
C..
Microeletrônica. 5ed. São Paulo: Pearson Prentice
Hall, 2007.
 MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. 4. ed. São Paulo:
Makron, c1997. 2v.
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Obrigado pela Atenção!
Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto – [email protected]
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica – DAELT – (41)3310-4626
Av. Sete de Setembro, 3165 - Bloco D – Rebouças - CEP 80230-901
Curitiba - PR - Brasil
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