Fundamentos de Electrónica

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

2. 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

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 tipicas 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. A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector Colector Emissor n p n Ie Ic Base I Junção Polarizada directamente Junção Polarizada inversamente Ib Funcionamento na Zona Activa • 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 (IcIe) e que a corrente a base será muito pequena (Ib<<Ic) • De facto temos que Ic é proporcional a Ib, Ic =  Ib, com >>1 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

6. n p n Ic Ib Ie Equações para as correntes (zona activa) Colector Ic Base Temos ainda: Ib Ie Emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

7. 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

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

9. W p n p Emissor Colector Base Transístor pnp • 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. emissor Ie base Ib Ic colector Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

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

12. 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

13. Curvas Características dos Transístores • Zona Activa Ib=60uA Ic (A) Ib=20uA Vce (V) Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

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

16. Variação de beta com a corrente grandes variações de corrente provocam variações do beta Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

17. 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

18. 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

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

20. 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

21. 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

22. 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

23. Configurações de Amplificação de um Único Andar Montagem colector comum ou seguidor de emissor Montagem base comum Montagem emissor comum Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

24. ib Rs io gm vpi + Ro Vi Ri vpi Rpi ro Rc - Montagem Emissor Comum Modelo de pequenos sinais Usa-se para ter Ganho de tensão Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

25. Emissor Comum Degenerado Modelo de pequenos sinais Vo Io .ie Rc Ii Ro + Rs v re Vs Ri - Re Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

26. Rs Ri Montagem Colector Comumou Seguidor de Emissor Modelo de pequenos sinais Nota: calcularam-se os ganho de corrente e tensão com carga re V1 Vo Ro Io ro Rl Usa-se para ter Ganho de corrente Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

27. Montagem Base Comum Vo  iE Rc Ro re Rs Vi Ri Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

28. Vcc VOH Zona Corte Zona Activa Rc Vo Rs Q1 Zona Saturação VOL Vi 0.2V VIL VIH 0.7V O Inversor BJT Exemplo: Rb=10k , Rc=1k e =50 e Vcc=5V Não é utilizada em parte devido ás dificuldades em retirar o transistor da saturação Margens de Ruído: Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

29. Perfil da Densidade de Portadores Emissor (n) Vbe Vcb Colector (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

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

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

32. 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

33. 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 aproximadamente constante para um dado transístor apesar de variar com vários factores Temos ainda a relação de Einstein: Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

34. E B C Substrato • 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

35. Ic Ib Ie Modelo de Ebers Moll Colector Donde se deduz que: Base Modelo global de funcionamento do transístor Emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

36. 250 VceSat (mV) 200 150 100 50 10 20 30 40 forced Zona de Saturação • Utilizando o modelo de Ebers Moll podemos chegar a seguinte fórmula para a região de saturação. Exemplo: =50 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

37. Concentração de Portadores Minoritários na Base de um Transístor Saturado Zona Saturação Zona Activa Zona Activa inversa Tempos elevados para a saida da região de saturação Grande quantidade de carga Armasenda na base! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

38. Ic Ib Ie Modelo de Transporte Colector Base Uma forma alternatica do modelo de Ebers-Moll Emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

39. Beta para pequenos sinais •  depende de Ic Valor redusido Beta corresponde a secante à curva, e hef à tangente à curva! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

40. Efeitos capacitivos no BJT • Capacidade de difusão ou de carga na base(zona activa) • Capacidade da junção base emissor • Capacidade da junção base colector Junção em condução Junção ao corte Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

41. C rx B C r C ro E Circuito para determinação do beta hfe 0 ft f Modelo de Alta frequência Este modelo só é válido até cerca de 0.2 ft Variação de hfe com a frequência Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

42. Corrente de Saturação IS Resistencia ohmica da base (Pol nula) RB Ganho de Corrente directo máximo BF Capacidade da junção BE (Pol nula) CJE Coeficiente de emissão directo NF Coeficiente de gradiente da junção BE MJE Tensão de Early directa VAF Tensão intrinseca da junção BE VJE Ganho de corrente inverso máximo BR Capacidade da junção BC (Pol nula) CJC Coeficiente de emissão inverso NR Coeficiente de gradiente da junção BE MJC Tensão de Early inversa VAR Tensão intrinseca da junção BC VJC Tempo de transito directo ideal TF Capacidade da junção CS (Pol nula) CJS Tempo de transito inverso ideal TR Coeficiente de gradiente da junção CS MJS Resistência ohmica do emissor RE Tensão intrinseca da junção CS VJS Resistência ohmica do colector RC C C rx B iC r C ro CCS S E Modelo do SPICE Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003