Fundamentos de Electrónica Transístores de Junção Bipolar Bipolar Junction Transistor - BJT Roteiro Equações aos terminais Modelo de pequenos sinais Montagens amplificadores de um único canal Princípios Físicos – junção npn e pnp Equação de Ebers-Moll de funcionamento na região de saturação Modelo de alta-frequência Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 2 Transístor n-p-n W n p n Emissor Colector Base Junção base-emissor Junção base-colector Semelhante a dois díodos costas com costas, mas, Largura de base, W, é muito pequena! Três zonas tipicas de operação Zona de corte – Ambas as junções ao corte Zona de activa Zona de saturação – Junção B-E ON Junção B-C OFF – Ambas as junções ON Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 3 Funcionamento na Zona Activa A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector Emissor n p n Ie Ic I Junção Polarizada directamente Colector Base Ib Junção Polarizada inversamente 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 4 Funcionamento na Zona Activa A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector Emissor n p n Colector Ie Ic I Junção Polarizada directamente Base Ib Junção Polarizada inversamente Porque é que os electrões não são bloqueados pela junção base colector? Porque como a base é muito fina a velocidade dos electroes é suficiente para que os electrões chegem ao lado n antes de colidirem com outras particulas (nucleos ou lacunas). Os que ficam pelo caminho vão formar parte da corrente na base. Assim temos que a corrente no colector será aproximadamente igual à corrente no emissor (IcIe) e que a corrente a base será muito pequena (Ib<<Ic) De facto temos que Ic é proporcional a Ib, Ic Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 = Ib, com >>1 5 Equações para as correntes (zona activa) Colector iC I S e iC i B v BE / v T Ic n i E i B iC Temos ainda: Base p Ib i E i B i B ( 1) i B n Ic Ib Ie 1 iC i E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Ie Emissor 6 Símbolo O símbolo do transístor npn é baseado no seu modelo equivalente colector C Ic base B Ib Ie E emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 7 Modelos equivalentes (npn) C C B iC I S e B v BE / V T i B iC / iC I S e i E iC / v BE / V T E E C C B iC i E B iE IS iB e v BE / V T IS E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 e iC i B v BE / V T E 8 Transístor pnp W iC i B p n p Emissor Colector Base emissor Ie base O emissor injecta lacunas na base que passam directamente para o colector. As equações são semelhantes às do transístor npn mas mudam os sentidos das correntes e troca-se Vbe por Veb. Ib Ic colector iC I S e Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 v EB / v T 9 Modelos equivalentes (pnp) E E i E iC / B iC I S e iC I S e i B iC / v EB / V T C v EB / V T B C E E iE B IS e v EB / V T iB IS iC i E e v EB / V T iC i B C B C Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 10 Funcionamento na Zona Activa npn pnp Ic Ib Ie VEB VCE VBE VEC Ie V CE 0 . 2V Ib JBE ON iC I S e /( 1) V EC 0 . 2V v BE / V T iC i B Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Ic JBE ON iC I S e v EB / V T iC i E 11 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 C B 0.2V 0.2V B 0.7V B 0.7V E E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 E 12 Curvas Características dos Transístores Q1 2N3903 12V Zona Activa I1 50uA Ic (A) V2 Ib=60uA Ib=20uA Vce (V) Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 13 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 colector é em geral menos dopado que o emissor, donde resulta que o novo (R) é bastante mais pequeno. Trocar o emissor com o colector corresponde utilizar um valor de VCE negativo. V EC 0 . 2V Ie Ib VCE VBE Ic JBC ON iE I S e iE R iB Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 v BC / V T i E R iC 14 Curvas Características R Zona activa Zona saturação Zona activa inversa Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 15 Variação de beta com a corrente 200 beta 150 100 50 0 0,0000001 0,00001 0,001 0,1 10 1000 Ic (A) grandes variações de corrente provocam variações do beta Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 16 O Efeito da Temperatura Sensibilidade á Temperatura Vbe varia cerca de –2mV/ºC para valores semelhantes de Ic 1,2 1 Beta do transístor tipicamente aumenta com a temperatura 0,8 Ic (A) 0ºC 0,6 27ºC 60ºC 0,4 Q1 2N3903 V2 0,2 12V V1 1V 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Vbe (V) Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 17 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. ic I S e Tensão de Early v BE / v T v ce 1 VA Q1 2N3903 V2 12V I1 50uA VA Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 18 Modelo de pequenos sinais Modelo Modelo T C B + iC gm . v BE r v iC gm . v E gm iC i E B re iC . i B IC VT Nota: C E r VT IB gm gm v v BE Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 IC VT re r 1 VT IE 19 Incorporando o efeito de Early Modelo aumentado C B + v r rO ro modela o efeito de Early. Pode ser considerado como a resistência de saída da fonte de corrente. E rO VA IC Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 20 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: I C R C V CE I E R E VCC VB VCC Rc R1 Rb R2 Re Equivalente de Thévenin Re R1 R 2 IE Rc VB R2 V CC R B R1 // R 2 V B V BE R E R B /( 1) Para que IE seja insensível a variações de temperatura e de devemos ter V V BB V BE IE B RE R E R B /( 1) Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 21 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… V CC VCC VCC IE V EE V BE Rc R E R B /( 1) Rc R1 Rb I E1 I E 2 V CC V EE V BE Re R1 IC IE V EE VEE Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 22 Configurações de Amplificação de um Único Andar Montagem emissor comum Montagem colector comum ou seguidor de emissor Montagem base comum Vcc Vcc Rc Rc Vcc Vo Vo Rs Q1 Rs Q1 Q1 V1 Ce Vo Rs V1 I1 I1 I1 Rl V1 Ve e Vee Vee Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 23 Montagem Emissor Comum Modelo de pequenos sinais Vcc ib Rs Rc Vi Vo Ri vpi io gm vpi + Rpi ro Ro Rc - Rs Q1 v v i V1 r R S r e v O gm . v rO // R C r rO // R C AV gm R S r I1 Ve e Usa-se para ter Ganho de tensão AV gm R C AI rO rO R C Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 R I r R O R C // rO 24 Emissor Comum Degenerado Modelo de pequenos sinais Vcc Vo .ie Rc Ii Vo Rs Vs Rc Ro Rs Q1 Io re Ri + v - V1 Re Re I1 AV Ve e AI RC R S 1 re R E RO RC Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 RC RE R I r 1 R E 25 Montagem Colector Comum ou Seguidor de Emissor Modelo de pequenos sinais Vcc Nota: calcularam-se os ganho de corrente e tensão com carga Rs Q1 Ce Rs Vo V1 V1 Ri re Vo I1 Rl Ro ro Io Rl Vee AV re ro // R L re ro // R L A I 1 RS 1 RL RL RS 1 1 rO rO R L R I 1 re ro // R L RS re R O rO // re 1 Usa-se para ter Ganho Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 de corrente 26 Montagem Base Comum Vo iE Vcc Rc Ro Rc re Vo Rs Vi Ri Q1 Rs I1 R I re V1 AI Vee Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 RO RC AV RC R S re 27 O Inversor BJT Vcc VOH Zona Corte Rc Zona Activa Vo Rs Q1 Zona Saturação VOL Vi 0.2V VIL 0.7V VIH Exemplo: Rb=10k , Rc=1k e =50 e Vcc=5V V IH 0 . 7V R S I B 0 . 7V R S 5 0 .2 RC 1 . 66 V Margens de Ruído: NM H V OH V IH NM L V IL V OL Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Não é utilizada em parte devido ás dificuldades em retirar o transistor da saturação 28 Perfil da Densidade de Portadores Emissor (n) Vbe Vcb n p ( 0 ) Base (p) n(x) Colector (n) O Campo eléctrico remove os electrões livres p( x) I W Largura efectiva de base Linear já que W << Ld 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 29 Corrente maioritária Emissor (n) Vbe Vcb A tensão Vbe aumenta com a concentração de electrões livres no emissor Colector (n) n p (0) n(x) Base (p) p( x) I iC i n A E q D n AE q D n n p (0) W d n p ( x) n p0 d x iC n 2 i NA v BE n p (0) n p 0 e AE q D n n 2 i e vT v BE / v T NAW 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! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 30 Corrente maioritária Emissor (n) Vbe n p (0) n(x) Vcb Colector (n) Base (p) p( x) I iC I S e 2 v BE / v T IS AE q D n n i NAW 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 31 Corrente na base A corrente da base tem duas componentes: iB iB1 iB 2 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. 2 iB1 AE q D p ni e v BE / v T N D Lp iB2 = Corrente de reposição dos electrões que se recombinam com as lacunas ao atravessarem a base. Carga armazenada na base iB1 Qn B Tempo médio que um electrão demora até se recombinar com uma lacuna 2 Q n AE q 1 2 n p (0) W Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 iB 2 1 AE q W ni 2 B NA e v BE / V T 32 Ganho de corrente do Transístor Combinando as equações anteriores iC i B Temos ainda a relação de Einstein: D n B L 2 n 1 Dp N A W Dn N D LP 1 W 2 2 D n B 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 aproximadamente constante para um dado transístor apesar de variar com vários factores Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 33 Substrato Os transístores nos circuitos integrados modernos são em geral construídos através da adição de impurezas a uma bolacha de semicondutor. Transístor planar E n B C Transístor vertical Contactos metálicos n n p E B C Corte vertical Transístor n p Substrato de Silício Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Bolacha de Silício 34 Modelo de Ebers Moll IE IS e v BE / V T 1 IS e 1 v BC / V T v BE / V T 1 IS R e v BC / V T F e v BE / V T 1 IS R e 1 I C1 I S e v BE / V T 1 I C 2 I E1 / R Donde se deduz que: IS Colector Ic IC IS e IB v BC / V T 1 Base Ib I E 2 I C1 / Modelo global de funcionamento do transístor Emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 I E1 I S e v BC / V T 1 Ie 35 Zona de Saturação Utilizando o modelo de Ebers Moll podemos chegar a seguinte fórmula para a região de saturação. V CESat V T ln 1 ( forced 1 250 VceSat (mV) 1) / R forced 200 150 100 50 / F 10 forced IC 20 forced forced F IB 30 40 Exemplo: =50 forced Vcesat(mV) 50 48 45 40 30 10 1 0 235 211 191 166 147 123 76 60 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 20 36 Concentração de Portadores Minoritários na Base de um Transístor Saturado Zona Activa n p0 e Zona Saturação Zona Activa inversa v BE / V T n p0 e v BC / V T Tempos elevados para a saida da região de saturação Grande quantidade de carga Armasenda na base! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 37 Modelo de Transporte Colector IB IS R IS F e e 1 v BE / V T v BC / V T 1 Ic IC IS e IS e Base v BE / V T v BC / V T 1 1 Ib Uma forma alternatica do modelo de Ebers-Moll Emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Ie 38 Beta para pequenos sinais h ef iC iB i c / ib AC depende de Ic Valor redusido h ef iC iB ( i B ). i B iB h ef , mas ' ( i B ). i B ( i B ) h ef Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Beta corresponde a secante à curva, e hef à tangente à curva! 39 Efeitos capacitivos no BJT Capacidade de difusão ou de carga na base (zona activa) Capacidade da junção base emissor Capacidade da junção base colector Qn W 2 2 Dn iC F iC Junção ao corte C je 0 C je m V 1 BE V OE C C0 V 1 BC V OC m Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 C de F IC VT Junção em condução C je 2 C je 0 C 2C 0 C C fe C de 40 Modelo de Alta frequência B C rx r C ro C Este modelo só é válido até cerca de 0.2 ft E Circuito para determinação do beta Variação de hfe com a frequência hfe 0 h fe 0 ft h fe 1 s C C r fT f 0 1 0 V cc f fT Q1 gm 2 C C Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 41 Modelo do SPICE Corrente de Saturação IS IS Resistencia ohmica da base (Pol nula) F BF n Tensão de Early directa Ganho de corrente inverso máximo rx RB Capacidade da junção BE (Pol nula) C je 0 CJE NF Coeficiente de gradiente da junção BE m be 0 MJE VA VAF Tensão intrinseca da junção BE VJE R BR Capacidade da junção BC (Pol nula) V Oe C0 CJC Coeficiente de emissão inverso NR Coeficiente de gradiente da junção BE m bc 0 MJC Tensão de Early inversa VAR Tensão intrinseca da junção BC V Oc VJC C cs 0 CJS Ganho de Corrente directo máximo Coeficiente de emissão directo Tempo de transito directo ideal F TF Capacidade da junção CS (Pol nula) Tempo de transito inverso ideal R TR Coeficiente de gradiente da junção CS MJS Resistência ohmica do emissor re RE Tensão intrinseca da junção CS VJS Resistência ohmica do colector rc RC B C rx r C C iC ro CCS S E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 42
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