Fundamentos de Electrónica

Fundamentos de Electrónica

Transístores de Junção Bipolar

Bipolar Junction Transistor - BJT

Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 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 n-p-n

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

n p n

Base

Emissor Colector

Junção base-emissor Junção base-colector

W


Funcionamento na Zona Activa

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!

n p nEmissor Colector

Base

Junção Polarizada directamente

Junção Polarizada inversamente

I

A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector

IcIe

Ib


Perfil da Densidade de Portadores

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.

Emissor (n)

Base (p)

Colector (n)

)0(pnO Campo eléctrico

remove os electrões livres

WLargura efectiva de base

Linear já que W << Ld

)(xn

)(xp

Vbe Vcb

I


Corrente maioritária

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.

)(xn

Emissor (n)

Base (p)

Colector (n))0(pn

W

)(xp

Vbe

Vcb

I

T

BE

v

v

pp enn 0)0(

W

nDqA

xd

xndDqAii

pnE

pnEnC

)0(

)(

TBE vv

A

inEC e

WN

nDqAi /

2

A

ip N

nn

2

0

A tensão Vbe aumenta com a concentração de

electrões livres no emissor


Corrente maioritária

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!

)(xn

Emissor (n)

Base (p)

Colector (n))0(pn

W

)(xp

Vbe

Vcb

I

TBE vvSC eIi /

WN

nDqAI

A

inES

2


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.

TBE vv

pD

ipEB e

LN

nDqAi /

2

1

B

nB

Qi

1

WnqAQ pEn )0(2

1 TBE Vv

AB

iEB e

N

nWqAi /

2

2 2

1

21 BBB iii

iB2 = Corrente de reposição dos electrões que se recombinam com as lacunas ao atravessarem a base.

Carga armazenada

na base

Tempo médio que um electrão demora até se recombinar com

uma lacuna


Ganho de corrente do Transístor

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

BC ii BnPD

A

n

p

DW

LW

NN

D

D

2

21

1

Temos ainda a relação de Einstein:

2nBn LD

Combinando as equações anteriores


Equações para as correntes

CBE iii BC ii n

pn

Emissor

Colector

Base

Ic

Ie

Ib

BBBE iiii )1(

EC ii

1

IbIe

Ic


Modelos equivalentes (npn)

TBE VvSC eIi /

TBE VvSC eIi /

EC ii

/CB ii

TBE VvSE e

Ii /

TBE VvSB e

Ii /

BC ii

B

B

B

B

C

C

C

C

E

E E

E

/CE ii


Símbolo

O símbolo do transístor npn é baseado no seu modelo equivalente

IbIe

Icemissor

colector

base

B

E


Tecnologia Os transístores nos circuitos integrados modernos

são em geral construídos através da adição de impurezas a uma bolacha de semicondutor.

Bolacha de Silício

TransístorCorte

vertical

Transístor planar Transístor vertical

E B CE B C

Substrato de Silício

p

n n n np

Contactos metálicos


Transístor pnp

O emissor injecta lacunas na base que passam directamente para o colector.

As equações são em tudo semelhantes às do transístor npn.

p n p

Base

Emissor Colector

W

Ib

Ie

Ic

emissor

colector

base


Modelos equivalentes (pnp)

TEB VvSC eIi /

EC ii

/CB ii

TEB VvSE e

Ii /

TEB VvSB e

Ii /

BC ii

/CE ii B

C

E

TEB VvSC eIi /

B

C

E

BC

E

BC

E


Funcionamento na Zona Activa

VCE

VBE

IcIb

Ie

npn

TBE VvSC eIi /

pnp

VEC

VEB Ie

IcIb

EC ii BC ii )1/(

TEB VvSC eIi /

VVCE 2.0 VVEC 2.0JBE ON JCB ON


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

0.5V

0.7V

0.2V

C

B

E

Modelo para o transístor na zona de saturação

Modelo simplificado

0.7V

0.2V

CB

E

C

B

E


Curvas Características dos Transístores Zona Activa

V212V

Q12N3903

I150uA

Ib=60uA

Ib=20uA


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.

TEB VvSE eIi /

VVEC 2.0 JBC ON

Ic

IbIe

VCE

VBE

CRE ii BRE ii


Curvas Características

R

Zona activa inversa

Zona activa

Zona saturação


O Efeito da Temperatura

Vbe varia cerca de –2mV/ºC para valores semelhantes de Ic

Beta do transístor tipicamente aumenta com a temperatura

V212V

Q12N3903

V11V

Sensibilidade á Temperatura

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Vbe (V)

Ic (

A) 0ºC

27ºC

60ºC


Efeito de EarlyMesmo 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.

V212V

Q12N3903

I150uA

VA

Tensão de Early

A

cevvSc V

veIi TBE 1/


Aproximação de pequenos sinais

r

Modelo Modelo T

BC

E

+

-

v

BC ii .B

C

E

BEC vgmi .

er

T

C

V

Igm

gmi

Vr

B

T

T

C

V

Igm

B

Te i

Vrr

EC ii vgmiC .

Nota: BEvv


Incorporando o efeito de Early

r

Modelo aumentado

BC

E

+

-

v

C

AO I

Vr

Or

ro modela o efeito de Early. Pode ser considerado como a resistência de

saída da fonte de corrente.


VCC

Rb

Re

RcVB

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:

VCC

R1

R2

Re

Rc

Equivalente de Thévenin

CCB VRR

RV

21

2

21 // RRRB

)1/(

BE

BEBE RR

VVI

Para que IE seja insensível a variações de temperatura e de

devemos ter

BEBB VV

)1/( BE RR E

BE R

VI

EECECC RIVRI


Polarização A polarização com duas

fontes de tensão permite reduzir o consumo, etc…

VCC

Rb

Re

Rc

VEE

)1/(

BE

BEEEE RR

VVI

EII C

Polarização com uma fonte de corrente permite aumentar a impedância vista da base, etc…

1

21

R

VVV

II

BEEECC

EE

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