Fundamentos de Electrónica

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1 Fundamentos de Electrónica
Transístores de Junção Bipolar Bipolar Junction Transistor - BJT

2 Roteiro Princípios Fisícos – junção npn e pnp Equações aos terminais
Modelo de pequenos sinais Montagens amplificadores de um único canal Equação de Ebers-Moll de funcionamento na região de saturação Modelo de alta-frequência Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

3 Transístor n-p-n n p Semelhante a dois díodos costas com costas, mas,
W n p Emissor Colector Base Junção base-colector Junção base-emissor Semelhante a dois díodos costas com costas, mas, Largura de base, W, é muito pequena! Três zonas de operação Zona de corte – Ambas as junções ao corte Zona de activa – Junção B-E ON Junção B-C OFF Zona de saturação – Ambas as junções ON Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

4 Funcionamento na Zona Activa
A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector n p Colector Emissor Ie Ic Base I Junção Polarizada directamente Junção Polarizada inversamente Ib Na zona activa temos a junção BE polarizada inversamente e a junção BC polarizada inversamente Os electrões responsáveis pela condução de corrente na junção base emissor atravessam a pequena base e são recolhidos no colector! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

5 Perfil da Densidade de Portadores
Vbe Vcb Emissor (n) Colector (n) O Campo eléctrico remove os electrões livres Base (p) I Linear já que W << Ld W Largura efectiva de base A densidade de electrões livres decresce na base. No colector os electrões livres são removidos pelo campo eléctrico. Como a base tem um comprimento bastante inferior ao comprimento de difusão este decréscimo é linear. A base (tipo-p) é bastante menos dopada que o emissor (tipo-n) logo a concentração de lacunas é bastante inferior à concentração de electrões livres. Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

6 A tensão Vbe aumenta com a concentração de electrões livres no emissor
Corrente maioritária A tensão Vbe aumenta com a concentração de electrões livres no emissor Vbe Emissor (n) Colector (n) Vcb Base (p) I W O emissor (tipo-n) é muito mais dopado que a base (tipo-p) donde resulta que a corrente é maioritariamente formada por electrões livres, que se deslocam directamente do emissor para o colector! O aumento da corrente aumenta a concentração de electrões livres no emissor que aumenta o valor de Vbe. Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

7 Corrente maioritária Vbe Emissor (n) Colector (n) Vcb Base (p) I W O Transístor na zona activa comporta-se como um díodo polarizado directamente com uma corrente de saturação dada por “Is”, mas em que corrente flúi num terceiro terminal denominado de colector! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

8 Corrente na base A corrente da base tem duas componentes:
iB1 = Corrente minoritária devido às lacunas que se deslocam da base para o emissor. Equação equivalente à corrente de lacunas de uma junção p-n. iB2 = Corrente de reposição dos electrões que se recombinam com as lacunas ao atravessarem a base. Tempo médio que um electrão demora até se recombinar com uma lacuna Carga armazenada na base Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

9 Ganho de corrente do Transístor
Combinando as equações anteriores Temos ainda a relação de Einstein: Deve-se notar que: Beta aumenta com a diminuição da largura da base Beta aumenta com a concentração de impurezas no emissor e diminui com a concentração de impurezas na base. Beta é normalmente considerado constante para um dado transístor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

10 Equações para as correntes
Colector Ic Base n p Ib Ic Ie Emissor Ib Ie Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

11 Modelos equivalentes (npn)
C C B B E E C C B B E E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

12 Símbolo O símbolo do transístor npn é baseado no seu modelo equivalente colector Ic emissor B Ib Ie E base Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

13 Tecnologia Os transístores nos circuitos integrados modernos são em geral construídos através da adição de impurezas a uma bolacha de semicondutor. Transístor planar Transístor vertical Corte vertical Contactos metálicos E B C Transístor E B C p n n n n p Bolacha de Silício Substrato de Silício Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

14 Transístor pnp p n Base Emissor Colector W emissor Ie O emissor injecta lacunas na base que passam directamente para o colector. As equações são em tudo semelhantes às do transístor npn. base Ib Ic colector Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

15 Modelos equivalentes (pnp)
B C E B C E B C E B C E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

16 Funcionamento na Zona Activa
npn pnp Ic Ib Ie Ie Ic Ib JBE ON JCB ON Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

17 Modelo para o transístor na zona de saturação
A junção Base-Colector começa a conduzir para Vbc=0.5V donde resulta que na entrada na zona de saturação podemos considerar Vce=0.2 Modelo para o transístor na zona de saturação C Modelo simplificado C 0.5V B C 0.7V 0.2V 0.2V B B 0.7V E E E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

18 Curvas Características dos Transístores
Zona Activa Ib=60uA Ib=20uA Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

19 Zona Activa Inversa Zona Activa Inversa
O transístor é um dispositivo aproximadamente simétrico, de tal forma que se trocarmos o emissor com o colector obtemos um novo dispositivo, que continua a funcionar como um transístor. No entanto o colecto é em geral menos dopado que o colector, donde resulta que o novo  (R) é bastante mais pequeno. Trocar o emissor com o colector corresponde utilizar um valor de VCE negativo. JBC ON Ic Ib Ie VCE VBE Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

20 Curvas Características
Zona activa Zona saturação Zona activa inversa Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

21 O Efeito da Temperatura
Vbe varia cerca de –2mV/ºC para valores semelhantes de Ic Beta do transístor tipicamente aumenta com a temperatura Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

22 Efeito de Early Mesmo na zona activa existe uma pequena dependência de Ic com Vce. Tal deve-se a uma diminuição da largura efectiva da região de base, devido ao alargamento da região de depleção da junção CE. Efeito de Early. VA Tensão de Early Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

23 Aproximação de pequenos sinais
Modelo  Modelo T B C E C + - B E Nota: Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

24 Incorporando o efeito de Early
Modelo  aumentado C ro modela o efeito de Early. Pode ser considerado como a resistência de saída da fonte de corrente. B + - E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

25 Equivalente de Thévenin
Polarização Polarização: escolha do ponto de funcionamento em repouso com uma fonte de tensão. Como regra de polegar é usual distribuir a tensão igualmente por Rc, Vce e Re: Para que IE seja insensível a variações de temperatura e de  devemos ter Equivalente de Thévenin Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

26 Polarização A polarização com duas fontes de tensão permite reduzir o consumo, etc… Polarização com uma fonte de corrente permite aumentar a impedância vista da base, etc… Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003