Transistor npn

1. Transistor de junção bipolarSedra & Smith, 4a edição, capítulo 4http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/toc5.htmadaptação – Prof. Corradiwww.corradi.junior.nom.br • Transistor npn Figura 4.1 Estrutura simplificada do transistor npn.

2. Transistor de junção bipolar (2) • Transistor pnp • Figura 4.2 Estrutura simplificada do transistor pnp. • Dependendo da polaridade da tensão aplicada em cada junção, obtém-se diferentes modos de operação do TJB.

3. Modos de operação do TJB npnhttp://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/chapter5/ch5_3.htm e Sedra. • A função do emissor e do coletor são invertidas (TJB não são normalmente simétricos). • “Ligado” – baixa impedância • Saturado • Liga/Desliga: circuitos lógicos • “Desligado” – elevada impedância • Cortado (vBC e vBE reversam. pol.) • Pequena corrente reversa.  Amplificadores com TJB

4. Operação do transistor npn na região ativa Figura 4.3 Fluxo de corrente em um transistor npn polarizado de modo a operar na região ativa. (Componentes de corrente reversa devido ao movimento de deriva de portadores minoritários gerados termicamente não estão mostrados.)  Estão mostrados apenas os componentes da corrente de difusão.

5. Concentração dos portadores minoritários ncoletor = 0  JBC diretamente polarizada Figura 4.4 Perfis das concentrações de portadores minoritários na base e no emissor de um transistor npn operando no modo ativo: vBE> 0 and vCB³ 0.

6. IS: fator de escala de corrente A corrente de coletor iC  Corrente de difusão de elétrons In :  A corrente de coletor iC = In : Observe que a magnitude de iC independe de vCB (contanto que seja  0).

7. A corrente de base iB  Componente iB1(lacunas injetadas da base para a região do emissor):  Componente iB2(lacunas que devem ser fornecidas pelo circuito externo de modo a repor as lacunas perdidas na base pelo processo de recombinação): Dp: difusividade das lacunas no emissor; Lp: comprimento de difusão de lacunas no emissor; ND: concentração de dopantes no emissor. t b: tempo de vida do portador minoritário Qn: carga do portador minoritário na base.

8. A corrente de base iB(2)  • b: ganho de corrente com emissor comum (usualmente, 100 < b < 200). Para obter um elevado valor de b (desejável), a base deve ser fina (W pequeno) e levemente dopada e o emissor fortemente dopado (NA / ND pequeno).  Constante para um transistor em particular (no caso ideal)

9. A corrente de emissor iE  • a: constante para um transistor em particular (idealmente), < 1 (se, por ex., b = 100   0,99).  Pequenas variações em a correspondem a grandes variações em b. • a: ganho de corrente em base comum.

10. Transistor npn na região ativa • Tensão direta vBE : corrente iC (dependência exponencial com vBE ) flui no terminal de coletor. • iC independe da tensão do coletor contanto que vCB  0.  Na região ativa de operação, o terminal de coletor comporta-se como uma fonte de corrente constante ideal, em que o valor da corrente é determinada por vBE . • iB = iC / b; iE = iC + iB • iB<< iC(b>>1) iE iC(iC=a iE , a <1, mas  1)

11. Modelos de circuitos equivalentes • Diodo DE : fator de escala de corrente = IS / a fornece a corrente iE relacionada a vBE conforme as equações anteriores.  Fonte de corrente não-linear controlada por tensão (grandes sinais). • Pode-se convertê-la em uma fonte de corrente controlada por corrente expressando-se a corrente da fonte controlada por a iE. • B: terminal comum (terra)  a: ganho de corrente de E para C.

12. Estrutura física simplificada • Fazer os exercícios 4.1 a 4.5 do livro texto. Figura 5.6 Seção transversal de um TJB npn.

13. O transistor pnp Figura 4.7 Fluxo de corrente em um transistor pnp polarizado de modo a operar no modo ativo.

14. iE iB iC O transistor pnp – circuitos equivalentes (grandes sinais) E + vEB – B C Figura 4.8 Dois modelos de grandes sinais para o transistor pnp operando no modo ativo.

15. iE iC Símbolos de circuito e convenções  Indica a direção da polarização direta da junção BE. Figura 4.10 Polaridade das tensões e fluxo de corrente nos transistores polarizados no modo ativo de operação ( vBE (ou vEB ) >0 e vCB (ou vBC )  0 ).

16. Relações corrente-tensão do TJB no modo ativo de operação

17. Exemplo 4.1 • O transistor na figura tem b = 100 e exibe uma tensão vBE de 0,7V com iC = 1 mA. Projete um circuito de modo que uma corrente de 2 mA flua através do coletor e que uma tensão de + 5V apareça no coletor.

18. Exemplo 4.1 - solução VC = +5 V  VRC = 15 – 5 = 10 V IC = 2 mA  VRC = 10 V / 2 mA = 5 kW  vBE = 0,7 V com iC = 1 mA  vBE com iC = 2 mA é dado por:  VB = 0  VE= – 0,717 V b = 100  a = 100/101  IE = IC / a = 2 / 0,99 = 2,02 mA  RE = (VE – (– 15)) / IE = 7,07 kW

19. Representação gráfica das características do transistor • Figura 4.12 A característica iC –vBE de um transistor npn (igual à curva i-v do diodo, exceto pelo valor da constante n). • As características iE-vBE e iB-vBE são também exponenciais, mas com diferentes correntes de escala: IS /a para iE e IS /b para iB. • Para análises dc rápidas de primeira ordem, normalmente assume-se que VBE 0,7V. • Para um transistor pnp, a característica iC –vEB será idêntica à da figura. • A tensão na junção emissor-base decresce de, aproximadamente, 2 mV para cada acréscimo de 1oC na temperatura (para uma corrente de junção constante). • Figure 4.13 Efeito da temperatura na característica iC–vBE. Para uma corrente de emissor constante (linha tracejada), vBE varia na taxa de –2 mV/°C.

20. Transistor npn: i C v CB (por iE) • Modo ativo de operação (vCB 0). Figura 4.14 A característica iC – vCB de um transistor npn.

21. Dependência de i C com a tensão de coletor – o efeito Early • Modo ativo de operação  TJBs mostram uma certa dependência com da corrente de coletor com a tensão de coletor.  Suas características iC – vCB não são linhas retas horizontais. Figura 4.15 (a) Circuito conceitual para a medição da característica iC–vCE do TJB. (b) A característica iC–vCE de um TJB usual.

22. Dependência de i C com a tensão de coletor – o efeito Early (2) • vBE > 0. • vCE pequeno (vC < vB)  JCB: polarização direta  região de saturação. • vCE  vCB < 0  JCB: pol. reversa  espessura da região de depleção na JCB  WEFETIVA DA BASE  IS  iC : efeito Early.  Relação linear de iC com vCE : assumindo que IS permanece constante:  Inclinação não-nula das linhas retas iC – vCE : a impedância de saída do coletor não é infinita

23. Dependência de i C com a tensão de coletor – o efeito Early (3) • Inclinação não-nula das linhas retas iC – vCE  a impedância de saída do coletor é finita e definida por: • Da equação anterior: ro VA / IC • IC : o nível da corrente correspondendo ao valor constante de vBE próximo à fronteira da região ativa. • Esta dependência de iC com vCE no projeto e análise do circuito de polarização normalmente não é considerada; no entanto, a resistência de saída finita ro pode ter um efeito significativo no ganho de amplificadores a transistores.

24. Análise dc de circuitos com transistores • Modelo da tensão constante VBE assuma que VBE= 0,7V independentemente do valor exato da corrente iC . • Exemplo 4.2: Considere o circuito da figura. Deseja-se analisar este circuito de modo a determinar as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma b = 100.

25. Exemplo 4.2 – análise • O transistor está na região ativa?  VB (em relação ao terra) = 4V ; VE = VRE < 4V (assumindo o modo ativo de operação, há uma queda VBE de 0,7 na JBE)  A junção BE está diretamente polarizada.  VE = 4 – VBE 4 – 0,7 = 3,3 V VRE= VE = 3,3 V IE = VE / RE = 1 mA .  VC = 10 V – IC RC ; VB = 4V  Vamos assumir que VBC < 0: região ativa de operação (juntamente com a condição VBE > 0).  Assim: IC= a IE= b / (b+1) = 100/101  0,99 IC= 0,991 = 0,99 mA.  VC = 10 – IC RC = 10 – 0,99  4,7  +5,3 V: VBC = – 1,3V ()

26. Exemplo 4.2 – análise (2) • VBE > 0 , VBC < 0: O transistor está na região ativa?  IB = IE / (b + 1) = 1 / 101  0,01 mA.  Condições consistentes O transistor está na região ativa!

27. Exemplo 4.3 • Analise o circuito da figura e determine as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma b = 100. • O transistor está na região ativa? Assuma, inicialmente, operação na região ativa.  O transistor está no modo de saturação (visto mais adiante).

28. Exemplo 4.4 • Analise o circuito da figura e determine as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma b = 100. • O transistor está na região ativa? VB = 0V  JBE não conduz (VBE < 0)  iE = 0 ; VC = 10  IC  4,7k > VB = 0 JBC não conduz (VBC = 0 – VC < 0)  iC = 0  iB =  iC – iE = 0  O transistor está no modo cortado de operação.

29. Exemplo 4.5 • Analise o circuito da figura e determine as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma b = 100. • Observe que o transistor agora é pnp!

30. Exemplo 4.6 • Analise o circuito da figura e determine as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma b = 100. • O transistor está no modo ativo?

31. Exemplo 4.7 • Analise o circuito da figura e determine as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma b = 100. • O transistor está no modo ativo?

32. Exemplo 5.9 – 5a edição do Sedra&Smith • Analise o circuito da figura e determine as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma b = 100.

33. Exemplo 4.8 • Analise o circuito da figura e determine as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma b = 100.