Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 2Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

12ª Aula: O Transistor Bipolar de Junção

Ao final desta aula você deverá estar apto a:

-Contar um pouco da história do transistor bipolar de junção (TBJ)

-Mostrar o fluxo de portadores no TBJ

-Determinar as expressões para as correntes no TBJ

-Criar um modelo para o TBJ

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 3Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

O Transistor Bipolar de Junção(npn)

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 4Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

O Transistor Bipolar de Junção(pnp)

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 5Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

O Nascimento da Eletrônica ModernaO Primeiro Transistor Bipolar de Contato (1947)

(Brattain, Bardeen e Shockley)

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 6Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

O Transistor Bipolar de ContatoO Transistor Bipolar de Contato(Brattain, Bardeen e Shockley)

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 7Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

O Transistor Bipolar de Contato(Brattain, Bardeen e Shockley)

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 8Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

O Primeiro Transistor de ContatoO Primeiro transistor foi inventado no Bell Labs em 23 de dezembro de 1947, por Brattain, Bardeen e Shockley. Embora algum trabalho estivesse sendo feito na Bell durante a guerra, o trabalho na U. Purdue, que era muito consistente em propriendades do germânio, era mais interessante. Seymour Benzer e Ralph Ray eram estudantes de pós-graduação em 1944 sob orientação de Lark-Horovitz. Benzer estudava a alta resistência de contatos metal-germânio na direção reversa e Brayna direção direta. Os resultados não podiam ser explicados pelas teorias até então conhecidas que diziam que a corrente deveria ser muito menor. O que eles não sabiam, é que a injeção de portadores minoritários era a responsável. Bray e Benzer mostravam seus resultados a cientistas famosos que os visitavam e que coçavam a cabeça...

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 9Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

O Primeiro Transistor de Contato

Bray e Benzer apresentaram suas observações sobre contatos pontuais sobre germânio em uma conferência em 1948, semanas após a invenção do transistor na Bell, que ainda era mantido em segredo.

Brattain estava na audiência, sabendo muito bem que o fenômeno era causado por portadores minoritários, e percebeu quão próximos estavam Bray e Benzer da descoberta do transistor. Como Bray disse depois, “estava claro que se eu tivesse aproximado meu eletrodo (fio) do fio de Benzer teríamos descoberto o transistor...”

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 10Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

O Primeiro Transistor de ContatoEle na verdade chegou a consultar Brattain que estava preocupado que outro grupo anunciasse antes a descoberta do transitor: “Eu os deixei simplesmente falando, sem dizer nada”Ao final, ele lembra que Bray disse: “Sabe, se nós puséssemos um outro ponto na superfície do germânio e medíssemos o potencial entre eles, talvez...”Brattain, não resistindo disse “É, pode ser um ótimo experimento” e afastou-se pensando com seus botões “Ralph acaba de descrever o experimento que nos levou à invenção do transistor algumas semanas atrás !!!!”EM: Ernest Braun e Stuart Macdonald “Revolution in Miniature: The history and impact of semiconductor electronics”

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 11Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

O Primeiro Transistor de Junção1950 (Bell Labs)

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 12Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

A Revolução em Miniatura ComeçaO Primeiro CI

Texas Instruments (1958)

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 13Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

O Primeiro ProcessadorIntel 4004 (1971)

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 14Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Tabela 4.1 MODOS DE OPERAÇÃO DO TBJ.

DiretaDiretaSaturação

ReversaDiretaAtivo

ReversaReversaCorteJBCJEBModo

INDEPENDE SE NPN OU PNP!!!

Modos de Operação

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 15Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

O Transistor BipolarjBE dir. pol. e jBC rev. pol. (modo ativo)

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 16Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

In AEqDndnp(x)

dx

AEqDn np (0)

W

A distribuição de portadores minoritários

np(0) np0evBE / VT

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 17Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

A corrente no coletor

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 18Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

TBE

TBETBE

TBE

TBE

VS

V

A

inEVpnE

Vp

nEnC

Vp

nE

pnE

pnEn

eI

eWNnqDAe

WnqDA

Wen

qDAII

Wen

qDA

Wn

qDAdxxdn

qDAI

/v

/v/v

/v

/v

20

0

0

)0()(

TBE Vpp enn /v

0)0(

sendo IS a corrente de saturação

A corrente no coletor

An

n

Dp

piS NL

DNLD

AqnI 2

lembrem, no diodo

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 19Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

A corrente na base

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 20Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Ela possui duas componentes:-A corrente devido às lacunas injetadas da base para o emissor (IB1)

iB1

AEqDpni2

NDLpev BE / VT

-A corrente devido às lacunas fornecidas pelo circuito externo para compensar as lacunas consumidas por recombinação (IB2)

Se b é o tempo de vida de portadores minoritários, em b segundos Qn cargas se recombina com as lacunas:

b

nB

Qi

2 WnqAQ pEn )0(21

onde

A corrente na base

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 21Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Ou seja:

TBE V

A

iEn e

NqWnAQ /v

2

2

e TBE V

Ab

iEB e

NqWnAi /v

2

2 21

A corrente na base

Assim:

iB IS

Dp

Dn

N AND

WLp

12

W 2

Dnb

ev BE /VT

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 22Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

TBE VSC eIi /v

C

bnpD

A

n

pCB

iDW

LW

NN

DD

ii

2

21

TBE V

bnpD

A

n

pSB e

DW

LW

NN

DD

Ii /v

2

21

Ou:

Resumindo

Onde:

1/Dp

Dn

N AND

WLp

12

W 2

Dnb

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 23Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

A corrente no emissor

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 24Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

111 TBE V

SCC

CBCE eIiiiiii /v

se = 100, então 0,99.

TBE VSE eIi /v/então

EC ii 1

1

se ou então

A corrente no emissor

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 25Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Expressões para as Correntesem um Transistor Bipolar na Região Ativa

iC ISev BE /V T

iB

iC

IS

ev BE /VT

iE

iC

IS

ev BE /VT

Nota: Para o transistor pnp, substitua vBE por vEB

iC iE iB (1 )iE iE

1

iC iB iE ( 1)iB

1

1

VT = tensão térmica = kT/q 25 mV a temperatura ambiente

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 26Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

TBE VSC eIi /v

TBE VSE eIi /v/

Um modelo para o Transistor NPN na região ativa

Modelo (npn) para grandes sinais na região ativa!

vBE

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith 27Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

“O uso tecnológico que a sociedade faz de umacompreensão que a ciência traz nem sempre éo que o cientista recomendaria ou perdoaria...Todos os cidadãos são igualmente responsáveispelo que é feito.”

Walter H. Brattain – Prêmio Nobel 2 vezes