Transistores Bipolares de Juno (BJT)

TE214 Fundamentos da EletrnicaEngenharia Eltrica

O nome transistor vem da frase transferring an electrical signal across a resistor

Plano de Aula

Contextualizao Objetivo Definies e Estrutura Caractersticas Tenso-Corrente Modos de Operao Aplicaes Bsicas Concluses

Contextualizao

Onde os transistores bipolares so usados?

Veja mais exemplos em: www.nxp.com bipolar transistors application notes

Objetivo

Viso geral sobre os transistores bipolares

Compreender seus diferentes modos de operao

Conhecer algumas aplicaes bsicas

Questes Chave

Qual a estrutura de um transistor bipolar?

Como uma transistor de juno bipolar opera?

Quais so as principais dependncias das correntes de terminal de um BJT no regime ativo direto?

Definies

O BJT um dispositivo de 3 terminais Dois tipos diferentes: npn e pnp.

Os smbolos do BJT e seus diagramas de bloco correspondentes:

Os BJTs tem 2 junes (fronteira entre as regies n e p).

Estrutura

Por enquanto suficiente dizer que a estrutura mostrada na figura anterior no simtrica.

As regies n e p so diferentes tanto geometricamente quanto em termos de concentrao de dopagem.

Por exemplo, a concentrao de dopagem no coletor, base e emissor devem ser 1015, 1017 e 1019 respectivamente.

Portanto, o comportamento do dispositivo no eletricamente simtrico e as duas terminaes no podem ser permutados.

Atividade Extra-Classe: Ler sobre a estrutura do BJT. Sedra, Cap.5, Sec. 5.1 a 5.3 / Boylestad Cap.3, Sec. 3.1 a 3.3

Estrutura Modos de Operao

Como cada juno possui dois modos de polarizao (direta ou reversa), o BJT com suas duas junes tm 4 modos possveis de operao.

Ativa Direta: dispositivo tem boa isolao e alto ganho regime mais til;

Saturao: dispositivo no tem isolao e inundado com portadores minoritrios). Leva tempo para sair da saturao evitar!

Ativa Reversa: ganho baixo pouco til;

Corte: corrente desprezvel: quase um circuito aberto til;

Operao no Modo Ativo Direto

Considerando o circuito abaixo:

A juno Base-Emissor (B-E) polarizada diretamente

A juno Base-Coletor (B-C) polarizada reversamente.

A corrente atravs da juno B-E est relacionada a tenso B-E por:

)1( TBE VVSE eIi

Operao no Modo Ativo Direto

Operao no Modo Ativo Direto

Devido as grandes diferenas de dopagem das regies do emissor e da base, os eltrons injetados na regio da base (da regio do emissor) resulta na corrente do emissor (iE).

Alm disso o nmero de eltrons injetados na regio do coletor diretamente relacionado aos eltrons injetados na regio de base a partir da regio do emissor.

Portanto, a corrente de coletor est relacionada a corrente do emissor que conseqentemente uma funo da tenso B-E.

Operao no Modo Ativo Direto

A tenso entre dois terminais controla a corrente atravs do terceiro terminal.

Este o princpio bsico do BJT!(efeito transistor)!

iC controlada por vBE, independente de vBC

Operao no Modo Ativo Direto

A corrente de coletor e a corrente de base esto relacionadas por:

e aplicando a LCK obtemos:

Ento, das equaes anteriores, o relacionamento entre as correntes de emissor e base:

BC ii

BCE iii

BE ii )1( depende da largura da regio da base e das dopagens relativas das regies da base e do emissor.

Operao no Modo Ativo Direto

e equivalentemente

A frao chamada de e iE pode ser escrita como:

Para transistores de interesse, = 100 que corresponde a = 0.99 e iC iE

BJTs estado-da-arte atuais: iC ~ 0,1 1mA, ~ 50 300.

difcil de controlar rigorosamente. Tcnicas de projeto de circuito so necessrias para insensitividade variaes em .

EC ii

1

1

TBE

Vv

SE e

Ii

Operao no Modo Ativo Direto

Modelo de circuito equivalente

Operao no Modo Ativo Direto

A direo das correntes e as polaridades das tenses para NPN e PNP.

Caractersticas Tenso-Corrente

Trs tipos diferentes de tenses envolvidas na descrio de transistores e circuitos. So elas: Tenses das fontes de alimentao:VCC e VBB Tenses nos terminais dos transistores:VC , VB e VE Tenses atravs das junes: VBE , VCE e VCB

Caractersticas Tenso-Corrente

Os 3 terminais dos transistores e as duas junes, apresentam mltiplos regimes de operao

Para distinguir estes regimes, temos que olhar as caractersticas tenso-corrente do dispositivo.

A caracterstica mais importante do BJT a o traado da corrente de coletor (IC) versus a tenso coletor emissor (VCE), para vrios valores da corrente de base IB.

Caractersticas Tenso-Corrente

Curva caracterstica qualitativa do BJT. O grfico indica as 4 regies de operao: saturao,

corte, ativa e ruptura.

Caractersticas Tenso-Corrente

Regio de Corte (cutoff): juno Base-Emissor polarizada reversamente. No h fluxo de corrente.

Regio de Saturao: juno Base-Emissor polarizada diretamente, juno Coletor-Base polarizada diretamente.IC atinge o mximo, que independente de IB e . Sem controle. VCE < VBE

Regio Ativa: juno Base-Emissor diretamente polarizada, juno Coletor-Base polarizada reversamente. Controle, IC = IB . VBE < VCE < VCC

Regio de Ruptura (Breakdown): IC e VCEexcedem as especificaes. Dano ao transistor.

Aplicaes do BJT

Como Chave Se a tenso vi for menor que a tenso necessria para

polarizao direta da juno EB, ento IB=0 e o transistor est na regio de corte e IC=0. Como IC=0, a queda de tenso sobre RC 0 e ento Vo=VCC .

Aplicaes do BJT

Como Chave (cont.) Se a tenso vi aumenta de modo que a tenso VBE polariza

diretamente a juno BE, o transistor ligar e

Uma vez ligado, ainda no sabemos se ele est operando na regio ativa ou saturao

B

BEiB R

VvI

Aplicaes do BJT

Como Chave (cont.) Entretanto, aplicando LTK no lao C-E, temos:

ou

A equao acima a equao da linha de carga para este circuito.

Note que VCE = Vo

CCCCCE

CECCCC

RIVV

VRIV

0

Aplicaes do BJT

Como Chave (cont.) Equao da linha de carga:

CCCCCE RIVV

Aplicaes do BJT

Lgica Digital Circuito inversor bsico

Se a tenso vi for zero (baixa) o transistor est na regio de corte, a corrente IC=0 e a tenso Vo=VCC (alta).

Por outro lado, se a tenso vi for alta, igual a VCC, por exemplo, o transistor levado a saturao e a sada igual a VCE(sat) que baixa.

Este circuito a base para construirmos qualquer outra operao lgica.

Aplicaes do BJT

Exerccio: Lgica Digital

Para o circuito abaixo, complete a tabela lgica

V1 V2 VoAlto Baixo

Baixo Alto

Baixo Baixo

Alto Alto

Aplicaes do BJT

Como Amplificador

O circuito inversor bsico tambm forma o circuito amplificador bsico.

A curva de transferncia de tenso (tenso de sada em funo da tenso de entrada) a caracterizao fundamental de um amplificador

Aplicaes do BJT

Como Amplificador (cont.) Curva de transferncia de tenso

Note a grande inclinao da curva no modo ativo.

Uma pequena mudana na tenso de entrada vi induz uma grande mudana na tenso de sada Vo uma amplificao.

Aplicaes do BJT

Como Amplificador (cont.) Curva de transferncia de tenso

Principais Concluses

O emissor injeta eltrons na base O coletor coleta eltrons da base A base injeta lacunas no emissor

IC controlada por VBE, independente de VBC (efeito transistor)

Modo Ativo Direto: mais til, dispositivo tem ganho e isolao.

Saturao: dispositivo inundado com portadores minoritrios. No til.

Corte: dispositivo aberto. til.

Referncias

SEDRA, A. S. e SMITH, K. C., Microeletrnica, 5a. Edio, Makron Books, 2005.

BOYLESTAD, R. L. e NASHELSKY, L., Dispositivos Eletrnicos e Teoria de Circuitos, 6a. Edio, Editora PHB, 1998.

Prxima Aula

Circuitos para polarizao de BJTs Anlise DC