Dispositivos Eletrônicos
Aula 09: Princípio de funcionamento
de transistores bipolares (1/2)
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Plano da Aula
• Importância dos transistores
• Revisão sobre diodos
• Análise do diodo curto em polarização
direta
• Análise do diodo em polarização reversa
• “Efeito” transistor
• Construção de um “bom” transistor
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Importância dos
transistores
• O objetivo: Controle da corrente
em um par de terminais, através de
outro par de terminais:
I = f (V1 )
Uma fonte de corrente
controlada em tensão pode
agir como um amplificador de
tensão!
Ganho de tensão:
AV =
Vout
= − KR L
Vin
Se KRL>1, o sinal (tensão) é amplificado!!
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Importância dos
transistores
• No princípio, havia os
eletromecânicos (lentos e
“bouncing”):
relés
com
• Observe que neste caso só há o
controle liga-desliga, o circuito
externo é quem definirá o valor da
corrente, não o relé.
Controle
Carga
Leia um pouco: http://pt.wikipedia.org/wiki/Relé
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Importância dos
transistores
• Para controlar o valor da corrente, havia as
válvulas termiônicas, mas estas
demandavam muito espaço e potência...
• O CRT de sua antiga TV é uma válvula
(intensidade do feixe controlável).
• O ENIAC foi construído com mais de 17.000
Leia um pouco:
http://pt.wikipedia.org/wiki/Válvula_termiônica
válvulas, e consumia 150kW!!
http://pt.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_raios_catódicos
http://pt.wikipedia.org/wiki/ENIAC
• Já pensou se o seu microprocessador
fosse implementado com válvulas...
• E aí vieram o Shockley e seus colegas...
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Revisão sobre diodos
Diodo curto sob polarização direta:
No ponto 2: elétrons saem do diodo e
lacunas “entram” no diodo
No ponto 1: elétrons entram no diodo
e lacunas “saem” do diodo (se
recombinam na interface com o
metal)
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Revisão sobre diodos
Diodo polarizado reversamente:
A polarização inversa aumenta o
campo elétrico na região de
depleção
Os elétrons no lado P (minoritários)
que chegam na “borda” da região
de depleção são acelerados pelo
campo, e cruzam a região,
chegando ao lado n
Num diodo, os elétrons no lado P são minoritários, o que limita a corrente
reversa. Mas e se conseguíssemos “injetar” elétrons até a fronteira da região de
depleção do lado P? Foi esta a ideia: controlar a injeção de elétrons no lado P
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Da junção PN ao
transistor bipolar
Os elétrons que atravessam a junção B-E difundem até a junção B-C, onde
são acelerados pelo campo na região de depleção e atravessam a junção
B-C (os elétrons são “coletados” pela região N à direita, chamada Coletor).
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O transistor bipolar
Transistor NPN:
Para que o transistor
funcione corretamente, é
imprescindível que a base
seja fina, para que os
elétrons injetados do
emissor na base cheguem
ao coletor sem se
recombinar. Do contrário,
para haver corrente de
Coletor precisaríamos de
um fluxo de “lacunas
assasinas” vindas do
Coletor, o que não seria
possível (lacunas são
excassas no Coletor N).
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O transistor bipolar
Transistor NPN:
A partir da tensão Base-Emissor, controlamos a injeção de elétrons na base (vindos
do emissor), que por sua vez ao chegarem no coletor, constituem a corrente de
coletor. Eis o tão sonhado controle!!!
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O transistor bipolar
VCE=VBE+VCB
• podemos ter 4 possibilidades para as 2 junções:
• B-E diretamente, B-C inversamente : Região ativa direta
• B-E diretamente, B-C diretamente
: Região de saturação
• B-E inversamente, B-C inversamente: Região de corte
• B-E inversamente, B-C diretamente : Região ativa inversa
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O transistor bipolar
O transistor NPN na região ativa direta: VBE > 0, VCB > 0
Dependendo da relação entre o comprimento de difusão dos elétrons na
base (Ln) e a largura de base (WB), há uma parte dos elétrons que chega na
base e se recombina. A corrente de base é formada pelas lacunas que
cruzam a junção B-E e as lacunas que se recombinam com os elétrons na
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Base.
O transistor bipolar
Desprezando a recombinação:
IE
IB
IC
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O transistor bipolar
IE
IB
IC
IC
DnB N EWE
=β ≈
IB
D pE N BWB
Para aumentar o ganho de corrente
direto em emissor –comum (=IC/IB):
• Base fina (WB pequeno)
• NE>>NB
Mostre que o ganho de corrente
emissor-comum
(β)
de
um
transistor bipolar Si, para o qual:
NE=1018, NB=1017,
DnB/DpE=3, WB=0.2µm e WE=1µm é
de 150.
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O transistor bipolar
Resumo das correntes para a região ativa direta (VBE > 0, VCB > 0)
VBE
I C = I S exp
VT
1
VBE
I B = I S exp
β
VT
VBE
1
VBE
β +1
IE =
I S exp
=
⋅ I S exp
VT
VT
β
αF
β
αF é o ganho de corrente
αF =
base-comum (= IC/IE < 1) .
β +1
IE, IB e IC proporcionais à área do emissor!!
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O transistor bipolar
Com base nas equações do slide anterior, veja alguns exemplos
de modelos simplificados não-lineares equivalentes (transistor
NPN na região ativa direta):
I C = I S exp
IE =
1
αF
VBE
VT
⋅ I S exp
VBE
VT
I C = I S exp
IE =
1
αF
⋅ I S exp
I C = I S exp
VBE
VT
VBE
= αF IE
VT
IB =
1
β
VBE
VT
I S exp
VBE
VT
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O transistor bipolar
Visualização das correntes (dados experimentais do BF494):
IB
BF494
1V
60 mV / década ⇒ η ≈ 1
β
I C = I S exp
IB =
1
β
VBE
VT
I S exp
VBE
VT
Para determinar o β do transistor, basta dividir um valor de corrente de coletor
pelo respectivo valor de corrente de base. Neste transistor, perceba que β ≈ 100! 17
O transistor bipolar
O transistor PNP na região ativa direta: VBE > 0, VCB > 0
IB
IE
IC
Este transistor é o “dual” do transistor NPN: a análise pode ser feita
trocando-se elétrons por lacunas e vice-versa. Observe que neste transistor
a corrente “coletada” é de lacunas, cuja mobilidade é menor que a dos
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elétrons.
O transistor bipolar
Visualização do sentido das correntes:
Se IS=2⋅10-15A e β=100, mostre que IB=100µA, IC=10mA e IE=10.1mA em cada circuito,
caso a junção B-E seja polarizada com 0,7574V (adote VT=0,0259V, e suponha que a
junção B-C está reversamente polarizada com 1V).
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Resumo dos pontos
importantes
• Transistor bipolar: dispositivo em estado
sólido que pode dar ganho de potência (ativo)
• O efeito transistor é o controle da corrente de
coletor através da tensão de controle aplicada
na junção base-emissor
• Como qualquer outro dispositivo, sua
construção física determina seu desempenho
• As aplicações são inúmeras (veremos a seguir)
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Cronograma de
atividades
• Não pense que você vai aprender revisando os slides:
LEIA O LIVRO! Sugere-se o seguinte cronograma:
Atividade
Duração
Razavi: Capítulo 4 até 4.4.2 (incluso)
60 minutos
Revisão dos slides
45 minutos
Resolução analítica das questões
(5 minutos/questão)
35 minutos
Simulação das questões (5 minutos/questão)
35 minutos
Total: 2h55min de atividades. Se você levar muito mais
tempo do que esta previsão, converse com o professor.
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Exercícios: trazer antes
da próxima aula
As questões são individuais, use a
tabela de valores!
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Exercícios pra trazer na
próxima aula
Supondo IS=ISX e β=BETA, determine os valores de corrente na base e no coletor,
se:
(a) VA = 0,4 V
V
I C = I S exp BE
(b) VA = 0,7 V
VT
IB =
1
β
I S exp
VBE
VT
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Exercícios pra trazer na
próxima aula
Supondo IS=ISX e β=BETA, determine os valores de tensão na base e no coletor, e
o valor de VBC (tensão base-coletor).
I C = I S exp
IB =
1
β
VBE
VT
I S exp
VBE
VT
Raciocínio: O problema dá a corrente de base.
Dispondo do valor de β, você encontra a
corrente de coletor. Dispondo da corrente de
coletor, você encontra a tensão base-emissor.
Ainda, dispondo da corrente de coletor, você
determina a tensão no coletor.
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Exercícios pra trazer na
próxima aula
Supondo IS=ISX e β=BETA, determine os valores de tensão no emissor e no
coletor, e o valor de VBC (tensão base-coletor).
I C = I S exp
IB =
1
β
VBE
VT
I S exp
VBE
VT
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Exercícios pra trazer na
próxima aula
A configuração mostrada ao lado,
com a associação de dois
transistores NPN, é chamada de
transistor Darlington (ou par
Darlington). Ela pode ser utilizada
quando se precisa de um grande
valor de β.
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Exercícios pra trazer na
próxima aula
Supondo IS=ISX e β=BETA em ambos os transistores do par Darlington abaixo,
determine os valores de corrente nos pontos B, C, D, E e F indicados abaixo.
Calcule ainda os valores de tensão nos pontos A , B e F. Qual o valor do ganho de
corrente do par Darlington, ou seja, qual a razão entra a corrente no ponto F e
aquela no ponto A?
I C = I S exp
IB =
1
β
VBE
VT
I S exp
VBE
VT
Raciocínio: O problema dá a corrente no ponto
A. Dispondo do valor de β, você encontra a
corrente no ponto D. Em seguida, com Kirchoff,
você determina a corrente no ponto B.
Dispondo do valor de β, você encontra a
corrente no ponto E, e assim por diante.
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Exercícios pra trazer na
próxima aula
Supondo IS=ISX e β=BETA tanto para o transistor NPN quanto para o transistor
PNP abaixo, determine com precisão os valores de tensão nos pontos A e B.
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Exercícios pra trazer na
próxima aula
Supondo IS=ISX e β=BETA para o transistor NPN, e IS=2·ISX e β=1,1·BETA para o transistor
PNP abaixo, determine com precisão os valores de tensão nos pontos A, B e C.
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