FISICA TRANSISTORES BIPOLARES ch04

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Cap. 4 Física dos Transistores Bipolares de 
Junção - BJT
 4.1 Considerações Gerais
 4.2 Estrutura dos Transistores Bipolares
 4.3 Operação dos Transistores Bipolares 
no Modo Ativo
 4.4 Modelos de Transistores Bipolares
 4.5 Operação dos Transistores Bipolares 
no Modo Saturação
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 Transistor Bipolar
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 Fonte de Corrente Dependente da Voltagem
 Fonte de Corrente Dependente da Voltagem pode atuar 
como um amplificador.
 Se Av = KRL é maior que 1, então o sinal é amplificado.
AV=
V out
V in
=−KR L
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Fonte de Corrente Dependente da Voltagem com 
Resistência na Entrada
Independente do valor da Resistência de Entrada, a magnitude 
da amplificação permanece inalterada.
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Fonte de Corrente Dependente da Exponencial 
Voltagem
 Uma Fonte de Corrente Dependente da Exponencial 
Voltagem com três terminais é mostrada acima.
 O Transistor Bipolar Ideal pode ser modelado como tal.
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Estrutura e Simbologia dos Transistores Bipolares 
de Junção - BJT
Transistor bipolar pode ser pensado como uma sanduíche de três 
regiões de Si/Ge dopadas. As duas regiões exteriores são dopadas 
com a mesma polaridade, ao passo que a região do meio é dopado 
com polaridade oposta. 
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Injeção de Portadores
Sob polarização reversa, a junção PN cria um grande campo elétrico atrai portadores 
minoritários (e-) injetados em uma região de minoria (P) para a outra região de maioria (N).
Esta capacidade de a Junção PN, polarizada inversamente, coletar elétrons injetados do exterior 
de modo eficiente, demonstra essencialmente a operação de um Transistor Bipolar. 
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Região Ativa Direta
→ Região Ativa Direta: VBE > 0, VBC < 0. 
→ Cuidado !!! A fig. b) apresenta uma forma errada de modelagem do CKT da 
fig. a). 
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Representação Bipolar
 Ocorre fluxo de corrente no Coletor devido à injeção de portadores na base.
 A dopagem do Emissor (N+) é maior que a da Base (P), assim a corrente de 
elétrons é maior que a corrente de lacunas.
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Transporte de Portadores na Base
 A concentração de (e-) é elevada em x=x1 devido à injeção de elétrons em função da 
Polarização Direta da Junção Base – Emissor;
 A concentração de (e-) cai para zero em x=x2, pois os elétrons, após alcançarem esta 
região, são atraídos para o coletor em função do elevado Campo Elétrico da Camada de 
Depleção da Junção Base/Coletor Polarizada Inversamente;
 A Corrente de Deriva é pequena devido ao baixo Campo Elétrico na Camada de Depleção 
da Junção Base-Emissor;
 A Corrente de Difusão é a principal componente devido à diferença de concentração de 
elétrons ao longo da Base.
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 Corrente de Coletor
 Aplicando a lei da difusão, podemos determinar o fluxo de 
carga que atravessa a base na direção do colector.
 A equação acima mostra que o transistor é efetivamente um 
elemento controlado pela tensão, sendo portanto um bom 
candidato a amplificador.
I C=
A EqDn ni
2
N E W B (expV BEV T −1)
I C =I Sexp
V BE
V T
I S=
AEqDn ni
2
N EW B
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Combinação de Transistores em Paralelo
Quando dois transistores são colocados em paralelo e 
experimentam o mesmo potencial nos três terminais, ele pode ser 
pensado como um único transistor com o dobro da área do emissor.
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 Configuração Simples de um Transistor
Embora um transistor seja um conversor de tensão – corrente, isto é, 
Fonte de Corrente Dependente da Tensão, a tensão de saída pode ser 
obtida em VC pela inserção de uma resistência de carga (RL) no coletor, 
permitindo que a corrente controlada (corrente de coletor) passe através 
de RL.
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Fonte de Corrente Constante
 Em condições ideais, a corrente de coletor não depende da tensão de Polarização 
entre Coletor e Emissor (VCE).
 Esta propriedade permite ao transistor comportar-se como uma Fonte de Corrente 
Constante quando a tensão de Polarização da Junção Base-Emissor é fixa (VBE = Cte).
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Corrente de Base
A Corrente de Base é proporcional à Corrente do Coletor e do Emissor e 
tem duas componentes:
1) a injeção inversa de lacunas para o emissor ; e
2) a recombinação de lacunas com os elétrons provenientes do emissor.
IC =βI B
I E=( β + 1) IB
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 Corrente de Emissor
Aplicando a lei de Kirchoff para o transistor, podemos facilmente 
encontrar a corrente do emissor.
I E=I C +I B
I E=I C(1+1β )
I E=I B (β+1)
β=
I C
I B
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Resumo das Correntes
IC =I Sexp
V BE
V T
IB=
1
β
I Sexp
V BE
V T
I E=
β+1
β
I Sexp
V BE
V T
β
β+1
=α
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BJT - Modelo de Grandes Sinais
 Um diodo é inserido entre a Base e o Emissor;
 Uma Fonte de Corrente Dependente da Exponencial da 
Tensão é inserida entre o Coletor e Emissor.
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Exemplo: Máximo RL 
Quando RL aumenta, Vx cai e, eventualmente, polariza a junção Coletor-
Base diretamente, forçando o transistor a sair da região ativa.
Portanto, existe uma tolerância máxima para a resistência coletor.
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Curvas Características do BJT
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Exemplo: Curvas Características - ( I x V )
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Transcondutância - gm
A Transcondutância gm mostra uma medida da capacidade do transistor converter a tensão 
em corrente.
gm é um dos parâmetros mais importantes em projetos de circuitos eletrônicos/amplificadores 
e depende do Ponto de Operação – PO ou Ponto Quiescente – PQ , onde PO = PQ é o par 
ordenado (VCE , IC).
gm=
d
dV BE (I SexpV BEV T )
gm=
1
V T
I S exp
V BE
V T
gm=
I C
V T
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Visualização da Transcondutância
 O parâmetro gm pode ser visualizado como a inclinação de IC x VBE.
 Notem na Curva IC x VBE que grandes valores de IC implicam inclinações 
mais elevadas e portanto valores mais altos para o parâmetro gm. 
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Transcondutância e Área
Quando a área AE do emissor de um transistor é multiplicada por n, para 
um VBE constante, IS aumenta e portanto IC e gm aumentam por um fator n.
Assim:
→ I's = n . Is
→ g'm = n.gm
→ I'c = n . Ic
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Transcondutância e Ic 
 A figura acima mostra que, para uma mesma variação de VBE, a excursão da corrente 
de coletor em torno IC2 é maior que em torno de IC1.
 Isso ocorre porque gm depende do Ponto de Operação e como IC2 > IC1 , concluímos 
que gm2 > gm1.
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Modelo de Pequenos Sinais
O Modelo para pequenos sinais é obtido supondo pequena variação de 
tensão em dois terminais enquanto o terceiro matem a tensão fixa.
Analisa-se então a variação da corrente nos três terminais e 
representam-se essas variações com fontes controladas e/ou resistores.
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Modelo de Pequenos Sinais: variação de VBE 
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Modelo de Pequenos Sinais: variação de VCE 
 Idealmente, VCE não tem efeito sobre a corrente de colector e, 
assim, não irá contribuir para o modelo depequenos sinais.
 Pode ser mostrado que o VCB também não tem efeito sobre o 
referido modelo.
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Modelo de Pequenos Sinais - Exemplo I
Suponha Is=3 x 10-16 A , β=100 e VT = 26 mV.
Os parâmetros do modelo de pequenos sinais são calculados a partir do Ponto de 
Operação (análise CC) e são usados para calcular a variação na corrente de 
colector, devido a uma mudança na VBE.
gm=
I C
V T
=1
3 .75Ω
r π=
β
gm
=375Ω
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Modelo de Pequenos Sinais - Exemplo II
Neste exemplo, um resistor RC é colocado entre a fonte de 
alimentação VCC e o colector, proporcionando um ponto para 
obtenção de uma tensão de saída vout.
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Terra - CA
Uma vez que a tensão de alimentação VCC não varia com o tempo, ela 
é considerada nula/aterrada ( VCC = 0) na análise de pequenos sinais.
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 Efeito Early
 A alegação de que a corrente do coletor não depende VCE não é 
precisa.
 Com o aumento da VCE, a região de depleção entre a base e o coletor 
aumenta e a largura efetiva da base diminui, o que leva a um aumento 
da corrente de coletor. 
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Curvas Características x Efeito Early
Com efeito Early, a corrente de coletor torna-se maior do que 
o habitual e, além disso, varia conforme VCE.
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Efeito Early - Representação
CH4 Physics of Bipolar Transistors 35
Efeito Early e o Modelo de Grandes Sinais
O Efeito Early pode ser contabilizado no modelo de grandes sinais 
simplesmente pela mudando na corrente de coletor por um fator de 
correção.
Neste caso, a corrente de base não muda.
CH4 Physics of Bipolar Transistors 36
Efeito Early e o Modelo de Pequenos Sinais
ro=
ΔV CE
ΔIC
=
V A
I Sexp
V BE
V T
≈
V A
I C
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Resumo
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Transistor Bipolar na Saturação
 Quando a tensão coletor cai abaixo de tensão de base e 
polariza diretamente a junção coletor-base, a corrente de 
base aumenta e reduz o fator de ganho de corrente, β.
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 Modelo de Grandes Sinais para a Região de 
Saturação
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 I x V – Curvas Características 
 A velocidade do BJT também reduz na saturação.
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Example: VCC aceitável
 A fim de manter BJT na região de saturação, a tensão de 
coletor não deve cair abaixo da tensão de base menos 400 
mV.
 Uma relação linear pode ser obtida entre VCC e RC e uma 
região aceitável pode ser escolhida.
V CC≥IC RC+(V BE−400mV )
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Saturação Plena
 Na Região de Saturação Plena, o transistor perde a sua 
capacidade de corrente controlada por tensão e VCE torna-se 
constante. 
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Transistor PNP 
 Um transistor PNP apresenta polaridades do emissor, coletor, e 
base invertidas, quando comparadas ao NPN. 
 Todos os princípios que se aplicam ao NPN são igualmente 
aplicáveis ao PNP, com a excepção de que o emissor tem um 
potencial mais elevado que a base e base a um potencial superior 
ao colector.
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NPN x PNP
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PNP Equações
I C =I Sexp
V EB
V T
I B=
I S
β
exp
V EB
V T
I E=
β+1
β
I Sexp
V EB
V T
I C=(I SexpV EBV T )(1+V ECV A ) Early Effect
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 Modelo de Grandes Sinais - PNP
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PNP - Polarização
Note que o emissor está em um potential mais alto que a 
base o coletor.
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 Análise de Pequenos Sinais 
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Modelo de Pequenos Sinais - PNP
 O Modelo de Pequenos Sinais para transistor PNP é 
idêntico ao do NPN.
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Modelo de Pequenos Sinais - Exemplo I
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Modelo de Pequenos Sinais - Exemplo II
 Modelo de Pequenos Sinais é identico ao anterior.
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Modelo de Pequenos Sinais - Exemplo III
 Uma vez que durante a análise de Pequenos Sinais O Vcc 
constante é considerado terra CA. O modelo final será 
idêntico aos dois anteriores.
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 Modelo de Pequenos Signais Exemplo IV 
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