Semicondutores de Potência e Transistores

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Eletrônica Industrial
Material Teórico
Responsável pelo Conteúdo:
Prof. Esp. Alexandre Leite Nunes
Prof. Diego Bomfim Pedretti
Revisão Textual:
Prof. Esp. Claudio Pereira do Nascimento
Semicondutores de Potência 
• Estudo dos Transistores: Princípio de Operação;
• História do Transistor;
• Transistor de Junção Bipolar;
• Transistores MOSFET de Potência;
• IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
• Estudar o funcionamento dos semicondutores de potência.
OBJETIVO DE APRENDIZADO
Semicondutores de Potência 
Orientações de estudo
Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem 
aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua 
formação acadêmica e atuação profissional, siga 
algumas recomendações básicas: 
Assim:
Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte 
da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e 
horário fixos como seu “momento do estudo”;
Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma 
alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo;
No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos 
e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você tam-
bém encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua 
interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados;
Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus-
são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o 
contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de 
aprendizagem.
Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte 
Mantenha o foco! 
Evite se distrair com 
as redes sociais.
Mantenha o foco! 
Evite se distrair com 
as redes sociais.
Determine um 
horário fixo 
para estudar.
Aproveite as 
indicações 
de Material 
Complementar.
Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma 
Não se esqueça 
de se alimentar 
e de se manter 
hidratado.
Aproveite as 
Conserve seu 
material e local de 
estudos sempre 
organizados.
Procure manter 
contato com seus 
colegas e tutores 
para trocar ideias! 
Isso amplia a 
aprendizagem.
Seja original! 
Nunca plagie 
trabalhos.
UNIDADE Semicondutores de Potência 
Estudo dos Transistores: 
Princípio de Operação
Figura 1 – Primeiro transistor: Primeira versão do que veio a ser o transistor 
foi criada em 1945 por uma equipe do Bell Labs
Fonte: Wikimedia Commons
Figura 2 – Forma física dos transistores atuais
Fonte: Wikimedia Commons
Tabela 1 – Principais inovações no campo dos Semicondutores 
Inovação Laboratório Ano
Transistor Ponto de Contato Bell Labs-Western Electric 1947 
Cultivo em Cristal Simples Western Electric 1950 
Zona Refinada Western Electric 1950 
Transistor de Junção Cultivada Western Electric 1951 
Transistor de Silicio Texas Instruments 1954 
Máscara de Óxido e Difusão Western Electric 1955 
Transistor Planar Fairchild 1960 
Circuito Integrado Texas Instruments, Fairchild 1961 
Diodo Gunn IBM 1963 
Fonte: Elaborada pelo autor
8
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História do Transistor 
O transistor foi inventado nos Laboratórios da Bell Telephone, em dezembro 
de 1947, por Bardeen e Brattain. Descoberto por acidente, visto que eles estavam 
procurando um dispositivo de estado sólido equivalente à válvula eletrônica, duran-
te os estudos de superfícies em torno de um diodo de ponto de contato. Os tran-
sistores eram, portanto, do tipo “point-contact” e existe evidência que Shockley, 
o teorista que chefiava as pesquisas, estava chateado porque esse dispositivo não 
era o que estava procurando. Na época, ele estava procurando um amplificador 
semicondutor similar ao que hoje chamamos de “junção FET”. O nome transistor 
foi derivado de suas propriedades intrínsecas “resistor de transferência”, em inglês: 
(TRANsfer reSISTOR). Os Laboratórios Bell mantiveram essa descoberta em se-
gredo até junho de 1948 (daí a confusão com as datas de descobrimento).
Transistor de Junção Bipolar
O transistor bipolar de junção é um dos dispositivos eletrônicos mais emprega-
dos em circuitos amplificadores e em circuitos de chaveamento. Ele é um dispositivo 
de três terminais formado a partir de duas junções que possuem uma camada semi-
condutora em comum. Existem dois tipos de transistores bipolares de junção, como 
apresentado na figura 3, tipo NPN, e apresentado na figura 3a, o transistor PNP, 
que se constitui de uma camada de material tipo N colocada entre duas camadas 
de material tipo P. Já o transistor tipo NPN, apresentado na figura 3b, constitui-se 
de uma camada de material tipo P colocada entre duas camadas de material tipo 
N. Essas três camadas dão origem aos três terminais do transistor bipolar: o emis-
sor (emitter) (E), a base (base) (B) e o coletor (collector) (C) como apresentado nas 
figuras 3a e 3b.
Collector
Emitter
Base
PNP transistor symbol
Emitter Collector
Base
P N P
Figura 3A – Transistor PNP
Collector
Emitter
Base
NPN transistor symbol
Emitter Collector
Base
PN N
Figura 3B – Transistor NPN
A seguir, simbologia e tipos de encapsulamentos dos transistores segundo nor-
ma internacional.
9
UNIDADE Semicondutores de Potência 
B
C
E
B
C
E
B
C
E
B
C
E
E
B1
B2
E
B1
B2
B
C
E
B
C
E
B
C
E
L
G
D
S
G
D
S
G
D
S
G
D
S
B
C
E
Transistor NPN
Transistor NPN con
clector unido a la
cubierta
Transistor PNP
Transistor NPN túnel
UJT-n Uniunión
Fototransistor NPN
De avalancha NPN
Transistor JFET canal N
Transistor JFET canal P
UJT-p Uniunión
Multiemisor NPN
Transistor Schottky NPN
Transistor JFET canal N
Transistor JFET canal P
Figura 4 – Simbologia dos transistores
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11
2N 2222
E B C
2N 2646
B2 E B1
BC 637-638
E C B
BF 254
BF 494-495
C E B
BC 237-239
BC 327-329
BC 337-339
BC 376-376
BC 546-550
BC 556-650C B E
BF 245
BF 410
2N 3819
G S D
MPF 102
D S G
TIP 33-34
TIP 140-142
TIP 145-147
TIP 3055
B C E
BD 331-332
B C E
BD 135-140
BD 233-234
BD 433-434
BD 328-330
E C B
MCR 106
K A G
TIP 29-32
TIP 41-42
TIP 115-117
B C E
TIC 106
TIC 116
TIC 126
K A G
TIC 206
TIC 216
TIC 226
TIC 236
MT1 MT2 G
Figura 5 – Encapsulamentos utilizados para cada modelo de Transistor
Princípios de Funcionamento
Para verificarmos o funcionamneto de um Transistor, utilizaremo-nos de um 
modelo PNP polarizado. Quando a tensão externa é aplicada a um transistor PNP, 
diz-se que o transistor está polarizado. Dependendo da polaridade da tensão aplica-
da, o transistor PNP pode ser operado em três modos: modo ativo, modo de corte 
e modo de saturação.
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UNIDADE Semicondutores de Potência 
P N P
B
E C
+
– +
–
VCCVEE
Figura 6 – Transistor PNP
O transistor PNP é frequentemente operado em modo ativo porque o transistor 
nesta configuração amplifica a corrente elétrica.
Então, vamos ver como um Transistor PNP funciona no modo ativo!
Considerando um transistor PNP com a junção base-emissor polarizada direta-
mente como mostrado na figura a seguir, podemos observar que a junção base-
-emissor é polarizada diretamente pela fonte VEE e a junção coletor-base é polari-
zada reversamente pela fonte VCC.
Junção emissor-base:
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ + + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
P N P
B
E C
+
– +
–
VCCVEE
}
BE
Depletion
}
BC
Depletion
Emitter Base Collector
–
Free electrons
Negative ions +
Holes
Positive ions
Physics and Radio-Electronics
Figura 7 – Circulação da corrente no transistor
Devido à polarização direta, um grande número de lacunas na região P do lado 
esquerdo (emissor) experimenta uma força repulsiva do terminal positivo da fonte 
VEE e também experimentam uma força atrativa do terminal negativo da fonte. 
Como resultado, as lacunas começam a fluir do emissor para a base.Do mesmo 
modo, os elétrons livres na base experimentam uma força repulsiva do terminal 
negativo da fonte e também experimentam uma força atrativa do terminal positivo 
da bateria. Como resultado, os elétrons livres começam a fluir da base ao emissor.
As lacunas da maioria dos portadores carregam a maior parte da corrente do 
emissor para a base. Assim, a corrente elétrica flui do emissor para a base. Esse flu-
xo de corrente elétrica reduz a largura da região de depleção na junção emissor-base.
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Junção coletor-base:
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ + + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
P N P
B
E C
+
– +
–
VCCVEE
}
BE
Depletion
}
BC
Depletion
Emitter Base Collector
–
Free electrons
Negative ions +
Holes
Positive ions
Physics and Radio-Electronics
Figura 8 – Transistor PNP
Devido à polarização reversa, um grande número de lacunas na região N direita 
(coletor) experimenta uma força atrativa do terminal negativo da fonte. Portanto, as 
lacunas se afastam da junção e fluem em direção ao terminal negativo da bateria. 
Como resultado, um grande número de átomos coletores neutros ganham elétrons 
e se tornam íons negativos. Por outro lado, elétrons livres na região N (base) ex-
perimentam uma força atrativa do terminal positivo da bateria. Assim, os elétrons 
livres se afastam da junção e fluem em direção ao terminal positivo da fonte. Como 
resultado, um grande número de átomos de bases neutras perde elétrons e se torna 
íons positivos.
Assim, a largura da região de depleção aumenta na junção base-coletor. Em outras 
palavras, o número de íons positivos e negativos aumenta na junção base-coletor.
Emissor-base-coletor atual:
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ + + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
P N P
B
E C
+
– +
–
VCCVEE
}
BE
Depletion
}
BC
Depletion
Emitter Base Collector
–
Free electrons
Negative ions +
Holes
Positive ions
Physics and Radio-Electronics
Figura 9 – Transistor PNP com negativo no coletor
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UNIDADE Semicondutores de Potência 
As lacunas que estão fluindo do emissor para a base, devido à polarização direta, 
serão combinadas com os elétrons livres na base. No entanto, a base é muito fina 
e levemente dopada. Portanto, apenas uma pequena porcentagem dos orifícios de 
emissor se combinará com os elétrons livres na região da base. O grande número 
restante de furos cruzará a região da base e alcançará a região do coletor. Isso se 
deve à tensão de alimentação negativa aplicada no coletor, assim, os furos fluem do 
emissor para o coletor. No coletor, os orifícios dos emissores e do coletor produzem 
corrente fluindo em direção ao terminal negativo da bateria. Portanto, uma corrente 
amplificada é produzida na saída.
No transistor PNP, a corrente elétrica é majoritariamente conduzida pelas lacunas.
Transistores MOSFET de Potência 
Diferentemente dos transistores de junção BJT que são controlados por corrente 
e dependem de uma corrente de base para que possam conduzir a corrente que 
flui do coletor, esta corrente sofre grande interferência da temperatura da junção. 
Os transistores MOSFET são controlados por tensão, possuem grande velocidade 
de chaveamento na ordem de nano segundos e são utilizados em aplicações em que 
exige alta frequência de chaveamento e baixa potência. Não ocorrem nesses tipos 
de transistores a ruptura secundaria, muito comum nos BJTs, pois possuem uma 
alta sensibilidade a descargas eletrostáticas, sendo necessário cuidados adicionais 
em seu manuseio.
Os MOSFETs são divididos em:
• MOSFET de depleção do tipo canal n: É formado por uma camada de subs-
trato tipo p, dois silícios n+ dopados com a intensão de se conseguir conexões 
de baixa resistência, o Gate é isolado deste canal por uma camada de óxido, os 
terminais do MOSFET levam o nome de Gate, drenos e fonte que poderemos 
ver na próxima figura;
Figura 10 – MOSFET de depleção
Fonte: Wikimedia Commons
14
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• MOSFET de enriquecimento: Não possui canal físico conforme podemos 
observar na figura a seguir, pois o canal é criado a partir da polarização a que 
este for exposto. Por exemplo, se a tensão VGS for positiva, a tensão atrairá 
os elétrons para o substrato p e os acumulará abaixo da superfície de óxido;
• O MOSFET de enriquecimento com canal tipo p: É fabricado a partir de 
um substrato do tipo n com regiões p (+) para o dreno e a fonte, utilizando 
lacunas como portadores de carga. O MOSFET de canal n funciona da mes-
ma forma, sendo que vGS, vDS e tensão limiar Vt são negativas. Durante o 
funcionamento, uma corrente iD entra pelo terminal chamado fonte e sai pelo 
terminal do dreno. 
Figura 11 – MOSFET tipo enriquecimento
Fonte: Adaptado de Wikimedia Commons
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Figura 12 – IGBT
Fonte: Divulgação/Power Electronics
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UNIDADE Semicondutores de Potência 
Os transistores IGBT são uma evolução dos BJT que foram desenvolvidos para 
serem aplicados em sistemas de elevada potência e substituírem as rudimentares 
válvulas. O IGBT possui as características de comutação dos transistores bipolares 
e a capacidade de trabalhar com alta potência e elevada impedância de entrada dos 
MOSFETs. Ele é popular nos circuitos de controle de potência de uso industrial e 
até mesmo em eletrônica embarcada.
Os transistores de potência possuem características que permitem sua utilização 
no controle de elevadas correntes, portanto, para isso, exige-se correntes elevadas 
na base. 
No IGBT a velocidade de chaveamento é determinada pelas características mais 
lentas, as quais são devidas às características do TBP. A velocidade do IGBT é se-
melhante à dos TBP, no entanto, nos últimos anos tem crescido gradativamente, 
permitindo a sua operação em frequências altas para correntes na faixa de dezenas 
e até centenas de Ampères.
Na figura a seguir temos uma comparação entre os principais dispositivos semi-
condutores de potência mostrando suas características de tensão, corrente e frequ-
ência de operação. 
Limites de operação de componentes semicondutores de potência (dados de 1994)
Tensão
Corrente
Frequência
1kA 2kA 3kA 1MHz
100kHz
10kHz
1kHz
5kV
4kV
3kV
2kV
1kV
Tiristores
GTO
IGBT
MCT
TBP
MOSFET
Figura 13 – Tabela de uso dos transistores
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Material Complementar
Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade:
 Livros
 Robótica
CRAIG, J. J. Robótica. 3. ed. Peb Pearson, 2012. E-Book.
Eletrotécnica Geral: Teoria e Exercícios Resolvidos
FRANCISCO, F. Eletrotécnica Geral: Teoria e Exercícios Resolvidos. 2. São Paulo : 
ed. Manole, 2006. E-book.
Análise de Circuitos Elétricos
MARIOTTO, P. A. Análise de Circuitos Elétricos. 2. São Paulo: ed. Prentice Hall, 
2003. E-book.
Análise de Circuitos
MARIOTTO, P. A. Análise de Circuitos. 1. São Paulo: ed. Prentice Hall, 2003. E-book.
Projetos de Circuitos Analógicos
FRANCO, S. Projetos de Circuitos Analógicos. São Paulo: 1 ed. McGraw Hill, 
2016. E-book.
MATLAB com Aplicações em Engenharia 4
GILAT, A. MATLAB com Aplicações em Engenharia 4. ed. São Paulo: Bookman, 
2006. E-book.
 Vídeos
MOSFET’s | Entenda de vez
O transistor MOSFET, é, de longe, o tipo mais comum de transístores de efeito de 
campo em circuitos tanto digitais quanto analógicos.
https://youtu.be/SKAFmhub13I
TRIAC e DIAC - Tiristores - O que são e como funcionam
Teoria e prática sobre esses essenciais componentes no controle de cargas.
https://youtu.be/GBxwM8ROV7k
Controle de potência AC com TRIAC e Arduino
Vídeo-aula explicando como efetuar o controle do ângulo de disparo de um TRIAC a 
partir de um microcontrolador.
https://youtu.be/h5QpmV4AqAk
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UNIDADE Semicondutores de Potência 
Referências
AHMED, A. Eletrônica de Potência. 1 reimpressão. São Paulo: Pearson Prentice 
Hall, 2009.
FERREIRA, F. F. Eletrônica I. Disponívelem: <https://paginas.fe.up.pt/~fff/Ho-
mepage/Ficheiros/E1_Cap5.pdf>. Acesso em: 11 mar. 2019.
RASHID, M. H. Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações. São 
Paulo: Makron Books do Brasil, 1999.
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