Transistores de Junção Bipolar

Prévia do material em texto

Universidade Federal do Rio Grande do Norte
ELE701 - ELETROˆNICA
TJB - Estrutura e funcionamento
Rafael Cardoso Pereira
1 / 40
Transistores de Junc¸a˜o Bipolar
Por vezes chamado de Transistor bipolar de junc¸a˜o (TBJ).
Estrutura e operac¸a˜o do TJB
Caracter´ıstica I/V
Amplificadores a TJB
Amplificadores ba´sicos
2 / 40
Dispositivos com treˆs terminais
Sa˜o mais complicados de analisar que dispositivos com dois terminais.
Sa˜o mais u´teis que dispositivos com dois terminais.
Podem ser utilizados para amplificac¸a˜o de sinais, lo´gica digital e
dispositivos com memo´ria.
Podem implementar fontes de corrente.
3 / 40
Histo´ria dos Transistores de Junc¸a˜o
Entre 1904 e 1947, a va´lvula foi o
dispositivo eletroˆnico da maior interesse
Em 1947 William Shockley, Walter H.
Brattain e John Bardeen demonstraram
o primeiro transistor
4 / 40
Utilizac¸a˜o do TJB
Ainda encontra aplicac¸o˜es para circuitos utilizados em ambientes
severos
Utilizado em circuitos de alta frequeˆncia
Bipolar: carrega carga de ambas as polaridades
Unipolar (Schottky)
5 / 40
Estrutura (Conceitual)
6 / 40
Estrutura (Conceitual)
7 / 40
Modos de operac¸a˜o
Modo EBJ CBJ
Corte Reversa Reversa
Ativo Direta Reversa
Saturac¸a˜o Direta Direta
8 / 40
Operac¸a˜o no modo ativo (npn)
9 / 40
A corrente no coletor
Os ele´trons em difusa˜o atravessam a junc¸a˜o CBJ e sa˜o ”coletados”,
formando a corrente de coletor.
iC = Ise
vBE/VT
onde a corrente de saturac¸a˜o:
Is =
AEqDnn
2
i
NAWB
e´ tambe´m chamada ”corrente de escala”.
O transistor ira´ operar como uma fonte de corrente controlada por tensa˜o!
10 / 40
A corrente no coletor
Os ele´trons em difusa˜o atravessam a junc¸a˜o CBJ e sa˜o ”coletados”,
formando a corrente de coletor.
iC = Ise
vBE/VT
onde a corrente de saturac¸a˜o:
Is =
AEqDnn
2
i
NAWB
e´ tambe´m chamada ”corrente de escala”.
O transistor ira´ operar como uma fonte de corrente controlada por tensa˜o!
10 / 40
A corrente no coletor
Os ele´trons em difusa˜o atravessam a junc¸a˜o CBJ e sa˜o ”coletados”,
formando a corrente de coletor.
iC = Ise
vBE/VT
onde a corrente de saturac¸a˜o:
Is =
AEqDnn
2
i
NAWB
e´ tambe´m chamada ”corrente de escala”.
O transistor ira´ operar como uma fonte de corrente controlada por tensa˜o!
10 / 40
A corrente na base
E´ composta por dois componentes: lacunas injetadas na EBJ e corrente
suprida pela fonte externa.
iB = iB1 + iB2
iB ∝ evBE/VT
iB =
iC
β
iB =
Is
β
evBE/VT
11 / 40
A corrente na base
E´ composta por dois componentes: lacunas injetadas na EBJ e corrente
suprida pela fonte externa.
iB = iB1 + iB2
iB ∝ evBE/VT
iB =
iC
β
iB =
Is
β
evBE/VT
11 / 40
A corrente na base
E´ composta por dois componentes: lacunas injetadas na EBJ e corrente
suprida pela fonte externa.
iB = iB1 + iB2
iB ∝ evBE/VT
iB =
iC
β
iB =
Is
β
evBE/VT
11 / 40
A corrente na base
E´ composta por dois componentes: lacunas injetadas na EBJ e corrente
suprida pela fonte externa.
iB = iB1 + iB2
iB ∝ evBE/VT
iB =
iC
β
iB =
Is
β
evBE/VT
11 / 40
A corrente na base
E´ composta por dois componentes: lacunas injetadas na EBJ e corrente
suprida pela fonte externa.
iB = iB1 + iB2
iB ∝ evBE/VT
iB =
iC
β
iB =
Is
β
evBE/VT
11 / 40
β e´ chamado de ganho de corrente de emissor comum
O paraˆmetro β pode assumir valores na faixa de 50 a 200,
dependendo do dispositivo.
O valor padra˜o adotado nos exerc´ıcios e´ β = 100.
Alguns transistores podem ter β = 1000.
O valor de β e´ influenciado pela largura da base (WB) e pelos n´ıveis
de dopagem na base e no emissor (NB/NE).
12 / 40
A corrente no emissor
Pode-se observar pela figura que:
iE = iC + iB
iE =
β + 1
β
iC
iE =
β + 1
β
Ise
vBE/VT
iC = αiE
onde α = ββ+1 e´ o ganho de corrente de base comum
13 / 40
A corrente no emissor
Pode-se observar pela figura que:
iE = iC + iB
iE =
β + 1
β
iC
iE =
β + 1
β
Ise
vBE/VT
iC = αiE
onde α = ββ+1 e´ o ganho de corrente de base comum
13 / 40
A corrente no emissor
Pode-se observar pela figura que:
iE = iC + iB
iE =
β + 1
β
iC
iE =
β + 1
β
Ise
vBE/VT
iC = αiE
onde α = ββ+1 e´ o ganho de corrente de base comum
13 / 40
A corrente no emissor
Pode-se observar pela figura que:
iE = iC + iB
iE =
β + 1
β
iC
iE =
β + 1
β
Ise
vBE/VT
iC = αiE
onde α = ββ+1 e´ o ganho de corrente de base comum
13 / 40
Circuitos equivalentes
O TJB operando em modo ativo pode ser substitu´ıdo por um dos
seguintes circuitos.
Modelo T equivalente
14 / 40
Circuitos equivalentes
Modelo pi equivalente
15 / 40
Exemplo 01
Um transistor npn com Is = 10
−15 e β = 100 e´ conectado da seguinte
forma: O emissor e´ aterrado, a base e´ alimentada com uma fonte de
corrente constante de 10µA, e o coletor e´ conectado a uma fonte de +5 V
via um resistor RC = 3 kΩ. Assumindo que o transistor opera no modo
ativo, encontre VBE e VCE . Verifique se o modo de operac¸a˜o e´ mesmo o
ativo.
Substitua a fonte de corrente por um resistor RB conectado a +5 V , qual
seria a resisteˆncia desse resistor?
16 / 40
Exemplo 01
Um transistor npn com Is = 10
−15 e β = 100 e´ conectado da seguinte
forma: O emissor e´ aterrado, a base e´ alimentada com uma fonte de
corrente constante de 10µA, e o coletor e´ conectado a uma fonte de +5 V
via um resistor RC = 3 kΩ. Assumindo que o transistor opera no modo
ativo, encontre VBE e VCE . Verifique se o modo de operac¸a˜o e´ mesmo o
ativo.
Substitua a fonte de corrente por um resistor RB conectado a +5 V , qual
seria a resisteˆncia desse resistor?
16 / 40
Exemplo 02
Considere o circuito a seguir, onde Is = 5× 10−17 A e VBE = 0, 8 V .
Assuma β = 100.
a) Determine as correntes terminais.
b) Determine o ma´ximo valor de RC que permite a operac¸a˜o no modo
ativo.
17 / 40
Estrutura real de um transistor
Observe que o dispositivo na˜o e´ sime´trico.
18 / 40
Operac¸a˜o no modo de saturac¸a˜o
Quando vCB < −0, 4 V CBJ vai estar polarizado diretamente e:
iC = ISe
vBE/VT − ISCevBC/VT
19 / 40
20 / 40
Podemos controlar a relac¸a˜o iC/iB variando o valor de vBC
βforc =
iC
iB
∣∣∣∣
saturacao
≤ β
21 / 40
Podemos enta˜o determinar quando um TJB esta na saturac¸a˜o fazendo os
seguintes testes:
1. CBJ esta´ polarizada diretamente com |vCB| > 0, 4 V ?
2. A raza˜o iC/iB e´ menor que β?
VCE,sat = VBE − VBC
VCE,sat ≈ 0, 1 a 0, 3 V
22 / 40
23 / 40
O transistor pnp
A corrente em sua maioria e´ formada por lacunas.
24 / 40
25 / 40
Exemplo 03
Utilizando o primeiro modelo mostrado para o TJB pnp. Considere a base
aterrada, o emissor alimentado por uma fonte de corrente constante de
2 mA e o coletor conectado a uma fonte de −10 V cc. Utilize β = 50 e
Is = 10
−14 A e encontre:
a) A tensa˜o no emissor
b) A corrente na base
c) A corrente no coletor
26 / 40
Caracter´ısticas tensa˜o/corrente
27 / 40
Resumo das relac¸o˜es de tensa˜o corrente no modo ativo
iC = Ise
vBE/VT
iB =
iC
β =
Is
β e
vBE/VT
iE =
iC
α =
Is
α e
vBE/VT
Para o transistor pnp, substituir vBE por vEB
iC = αiE iB = (1− α)iE = iEβ+1
iC = βiB iE = (β + 1)iB
β = α1−α α =
β
β+1
28 / 40
Exemplo 04
O transistor representado a seguir possui
β = 100 e exibe uma tensa˜o vBE de 0, 7 V
para iC = 1 mA. Projete o circuito de tal
forma que uma corrente de 2 mA flua
atrave´s do coletor e uma tensa˜o de +5 V
aparec¸a no coletor.
29 / 40
Exemplo 05
No circuito a seguir VBE foi medido e umvalor de 0, 7 V foi obtido na medic¸a˜o. SE
β = 50, encontre IE , IB, IC e VC .
30 / 40
Exemplo 06
No circuito a seguir, as medic¸o˜es indicam
VB = +1 V e VE = +1, 7 V . Quais sa˜o os
valores de α e β para esse transistor? Qual a
tensa˜o VC no coletor?
31 / 40
Representac¸a˜o gra´fica das caracter´ısticas do TJB
iC = ISe
vBE/VT
32 / 40
vBE
0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8
i C
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
características i/v
33 / 40
A caracter´ıstica varia com a temperatura
A tensa˜o vBE varia a cerca de −2 mV/◦C.
34 / 40
Efeito Early
35 / 40
iC = Ise
vBE/VT
(
1 +
vCE
VA
)
ro ≡
[
∂iC
∂vCE
∣∣∣∣
vBE=const
]−1
ro =
VA + VCE
IC
ro =
VA
I ′C
I ′C = Ise
vBE/VT
36 / 40
iC = Ise
vBE/VT
(
1 +
vCE
VA
)
ro ≡
[
∂iC
∂vCE
∣∣∣∣
vBE=const
]−1
ro =
VA + VCE
IC
ro =
VA
I ′C
I ′C = Ise
vBE/VT
36 / 40
iC = Ise
vBE/VT
(
1 +
vCE
VA
)
ro ≡
[
∂iC
∂vCE
∣∣∣∣
vBE=const
]−1
ro =
VA + VCE
IC
ro =
VA
I ′C
I ′C = Ise
vBE/VT
36 / 40
iC = Ise
vBE/VT
(
1 +
vCE
VA
)
ro ≡
[
∂iC
∂vCE
∣∣∣∣
vBE=const
]−1
ro =
VA + VCE
IC
ro =
VA
I ′C
I ′C = Ise
vBE/VT
36 / 40
Modelos modificados para grandes sinais
37 / 40
Exemplo 07
Encontre a impedaˆncia de sa´ıda de um transistor em que VA = 100 V com
IC = 0, 1, 1 e 10 mA.
38 / 40
Problema 01
Para o circuito a seguir, deseja-se
determinar o valor da tensa˜o VBB
que resulta na operac¸a˜o do transistor
em:
a) Modo ativo com VCE = 5 V
b) Na imineˆncia da saturac¸a˜o
c) Saturac¸a˜o profunda com
βforc = 10
Assuma VBE = 0, 7 V e β = 50.
39 / 40
Refereˆncias bibliogra´ficas I
Boylestad, R. and Nashelsky, L. (2004).
Dispositivos eletroˆnicos e teoria de circuitos.
PRENTICE HALL BRASIL.
Razavi, B. (2008).
Fundamentals of Microelectronics.
Wiley.
Sedra, A. S. and Smith, K. C. (2004).
Microelectronic Circuits.
Oxford University Press, fifth edition.
40 / 40