Fundamentos de Electrónica
Transístores de Junção Bipolar
Bipolar Junction Transistor - BJT
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 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 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
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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!
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Perfil da Densidade de Portadores
n(x)
Vcb
Vbe
Emissor (n)
np (0)
Base (p)
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.
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Corrente maioritária
A tensão Vbe aumenta
com a concentração de
electrões livres no
emissor
Vbe
Emissor (n)
n(x)
Colector (n)
Vcb
np (0)
Base (p)
p (x)
I
W
iC  in   AE q Dn
AE q Dn


n p (0)
W
d n p ( x)
dx

np0
2
i
n

NA
n p ( 0)  n p 0 e
v BE
vT
2
i
AE q Dn n vBE / vT
iC 
e
NA W
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.
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Corrente maioritária
Vbe
Emissor (n)
n(x)
Vcb
np (0)
Colector (n)
Base (p)
p (x)
I
W
iC  I S e

vBE / vT
2
i
AE q Dn n
IS 
NA W
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!
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Corrente na base

iB  iB1  iB 2
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.
iB1 
AE q D p ni2
N D Lp
evBE / vT
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
1
Qn  AE q  n p (0) W
2
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iB 2
1 AE q W ni2 vBE /VT

e
2  B NA
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Ganho de corrente do Transístor
Combinando as equações anteriores
iC   iB
Temos ainda a
relação de Einstein:


Dn B  L2n
1

Dp N A W 1 W 2

Dn N D LP 2 Dn 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 constante para um dado
transístor
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Equações para as correntes
iE  iB  iC
iC   iB
Base
Ib

 1
n

p
Ic
Ic
n
iE  iB   iB  (  1) iB
iC   iE
Colector
Ie
Emissor
Ib
Ie
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Modelos equivalentes (npn)
C
C
B
iC  I S evBE /VT
B
iB  iC / 
iC  I S evBE /VT
iE  iC / 
E
E
C
iC   iE
B
iE 
IS

e vBE / VT
C
B
iB 
IS

E
Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003
e
iC   iB
v BE / VT
E
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Símbolo

O símbolo do transístor npn é baseado no
seu modelo equivalente
colector
Ic
emissor
B
Ib
Ie
E
base
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Tecnologia

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
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Bolacha de
Silício
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Transístor pnp
W
p
n
Emissor
Colector
Base
emissor
Ie
base


Ib
p
O emissor injecta lacunas na base que
passam directamente para o colector.
As equações são em tudo semelhantes
às do transístor npn.
Ic
colector
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Modelos equivalentes (pnp)
E
E
iE  iC / 
B
iC  I S evEB /VT
iB  iC / 
iC  I S evEB /VT
C
B
C
E
E
iE 
B
IS

e vEB / VT
iB 
IS

iC   iE
e vEB / VT
iC   iB
C
B
C
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Funcionamento na Zona Activa
npn
pnp
Ic
Ib
Ie
VEB
VCE
VBE
VEC
Ie
VCE  0.2V
Ib
VEC  0.2V
JBE ON
iC  I S e
   /(  1)
vBE / VT
iC   iB
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Ic
JCB ON
iC  I S e
vEB / VT
iC   iE
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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
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E
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Curvas Características dos Transístores
Q1
2N3903

V2
12V
Zona Activa
I1
50uA
Ib=60uA
Ib=20uA
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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.
Ib
VEC  0.2V
Ie
VCE
VBE
Ic
JBC ON
iE  I S e
iE   R iB
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vEB / VT
iE   R iC
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Curvas Características
 R  
Zona activa
Zona saturação
Zona activa
inversa
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O Efeito da Temperatura
Sensibilidade á Temperatura

Vbe varia cerca de
–2mV/ºC para valores
semelhantes de Ic
Beta do transístor
tipicamente aumenta
com a temperatura
1,2
1
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)
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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
vBE / vT
Q1
2N3903
V2
12V
I1
50uA
 vce 
1  
 VA 
VA
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Aproximação de pequenos sinais
Modelo 
Modelo T
C
B
+
iC  gm. vBE
r
v
iC  gm. v
E
IC
gm 
VT
Nota:
C
iC   iE
B
re
iC   . iB
E
VT

r 

iB
gm
IC
gm 
VT
v  vBE
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r
VT
re  
 iB
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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
VA
rO 
IC
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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 R  V  I R
C
C
CE
E
VB 
VCC
VCC
Rc
R1
Rb
R2
Re
Equivalente de
Thévenin
R2
VCC
R1  R2
RB  R1 // R2
VB  VBE
IE 
RE  RB /(   1)
Rc
VB
E
Para que IE seja insensível a
variações de temperatura e de 
devemos ter
Re
VBB  VBE
RE  RB /(  1)
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IE 
VB
RE
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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…
VCC
VCC
VCC
VEE  VBE
IE 
RE  RB /(   1)
Rc
Rc
R1
Rb
I E1  I E 2 
VCC  VEE  VBE
R1
Re
IC   I E
VEE
VEE
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