Fundamentos de Electrónica

1. Fundamentos de Electrónica Transístores de Junção Bipolar Bipolar Junction Transistor - BJT

2. 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

3. n p n Transístor n-p-n W • 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 Emissor Colector Base Junção base-colector Junção base-emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

4. n p n Funcionamento na Zona Activa A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector Colector • 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! Emissor Ie Ic Base I Junção Polarizada directamente Junção Polarizada inversamente Ib Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

5. Perfil da Densidade de Portadores Vcb Vbe Colector (n) Emissor (n) O Campo eléctrico remove os electrões livres • 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. Base (p) Linear já que W << Ld I W Largura efectiva de base Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

6. Corrente maioritária A tensão Vbe aumenta com a concentração de electrões livres no emissor Vbe Colector (n) Emissor (n) Vcb Base (p) • 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. I W Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

7. Corrente maioritária Vbe Colector (n) Emissor (n) Vcb Base (p) • 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! I W Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

8. Corrente na base • 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. • iB2 = Corrente de reposição dos electrões que se recombinam com as lacunas ao atravessarem a base. Tempo médio que um electrão demora até se recombinar com uma lacuna Carga armazenada na base Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

9. Ganho de corrente do Transístor Combinando as equações anteriores • 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 Temos ainda a relação de Einstein: Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

10. n p n Equações para as correntes Colector Ic Base Ib Ie Ic Emissor Ib Ie Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

11. Modelos equivalentes (npn) C C B B E E C C B B E E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

12. Símbolo • O símbolo do transístor npn é baseado no seu modelo equivalente colector Ic emissor B Ib Ie E base Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

13. E B C Tecnologia • Os transístores nos circuitos integrados modernos são em geral construídos através da adição de impurezas a uma bolacha de semicondutor. Transístor planar Transístor vertical Corte vertical Contactos metálicos Transístor E B C p n n n n p Bolacha de Silício Substrato de Silício Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

14. W p n p Emissor Colector Base Transístor pnp • O emissor injecta lacunas na base que passam directamente para o colector. • As equações são em tudo semelhantes às do transístor npn. emissor Ie base Ib Ic colector Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

15. E E E E B B C C B B C C Modelos equivalentes (pnp) Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

16. Ic Ib Ie Ie Ib Ic Funcionamento na Zona Activa npn pnp JBE ON JCB ON Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

17. 0.2V 0.7V 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 B B 0.7V E E E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

18. Curvas Características dos Transístores • Zona Activa Ib=60uA Ib=20uA Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

19. Ic Ib VCE Ie VBE 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. JBC ON Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

20. Curvas Características Zona activa Zona saturação Zona activa inversa Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

21. O Efeito da Temperatura • Vbe varia cerca de –2mV/ºC para valores semelhantes de Ic • Beta do transístor tipicamente aumenta com a temperatura Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

22. Tensão de Early VA 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. Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

23. C B E E Aproximação de pequenos sinais Modelo  Modelo T C + B - Nota: Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

24. Incorporando o efeito de Early Modelo  aumentado C ro modela o efeito de Early. Pode ser considerado como a resistência de saída da fonte de corrente. B + - E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

25. 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: Para que IEseja insensível a variações de temperatura e de  devemos ter Equivalente de Thévenin Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

26. Polarização • Polarização com uma fonte de corrente permite aumentar a impedância vista da base, etc… • A polarização com duas fontes de tensão permite reduzir o consumo, etc… Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003