Transistor bipolar de juncao (TBJ) 1

1
Transistor Bipolar de Junção
(TBJ)
1
Regiane Ragi

2
Esta aula baseia-se no livro:
DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES: DIODOS E TRANSISTORES
EDUARDO CESAR ALVES CRUZ,
SALOMAO CHOUERI JUNIOR e
ANGELO EDUARDO BATTISTINI MARQUES

Os transistores são dispositivos que podem amplificar
sinais ou funcionar como uma chave eletrônica,
comutando um dispositivo de um estado ligado para
um estado desligado.
3

Os transistores bipolares que iremos estudar nesta aula
são formados por três regiões de materiais
semicondutoras, apresentando duas junções PN, daí o
nome de transistor bipolar de junção (TBJ).
Material
tipo
P
Material
tipo
PN
Emissor Base Coletor
Três regiões de um transistor bipolar
Junção emissor-base Junção base-coletor
4

O transistor bipolar de junção (TBJ) são dispositivos
bipolares, porque seu funcionamento depende de dois
tipos de portadores de corrente,
 as lacunas e
 os elétrons.
5

Os transistores bipolares podem ser de dois tipos:
6
Material
tipo
P
Material
tipo
PN P
Material
tipo
N
Material
tipo
N
Emissor Base Coletor Emissor Base Coletor
Três regiões de um transistor bipolar
 n-p-n, e
 p-n-p

Construção do TBJ n-p-n
Os transistores bipolares n-p-n consistem de três
camadas de material semicondutor, sendo uma fina
camada de semicondutor do tipo-p, sanduichada
entre duas regiões de material semicondutor tipo-n.
7
tipo-n
Emissor
tipo-n
Coletor
tipo-p
Base
n-p-n

Construção
tipo-n tipo-ntipo-p
Contato de
Emissor
Contato de
Coletor
Contato de
Base
Os três terminais do transistor bipolar recebem o nome
de
i. EMISSOR,
ii. BASE e
iii. COLETOR.
8

tipo-n
Emissor
tipo-n
Coletor
tipo-p
Base
9
O emissor é fortemente dopado e tem função de
emitir portadores de carga para a base:
 elétrons no caso do transistor n-p-n e
 lacunas no caso do transistor p-n-p).
n-p-n
tipo-p tipo-ptipo-n
p-n-p

10
A base é levemente dopada e muito fina.
Dessa forma, a maioria dos portadores de carga
lançados do emissor para a base, tenderão a atravessá-
la e dirigir-se ao coletor.
tipo-n
Emissor
tipo-n
Coletor
tipo-p
Base
n-p-n

Construção n-p-n
Um fio conecta cada uma das três regiões: emissor,
base e coletor.
tipo-n tipo-ntipo-p
Contato de
Emissor
Contato de
Coletor
Contato de
Base
Região fortemente
dopada
Região moderadamente
dopada
Região fracamente
dopada
11

Construção p-n-p
Transistores p-n-p são complementares aos n-p-n e são
muito menos comuns que os transistores n-p-n.
tipo-p tipo-ptipo-n
Contato de
Emissor
Contato de
Coletor
Contato de
Base
Região fortemente
dopada
Região moderadamente
dopada
Região fracamente
dopada
A região de emissor no transistor
p-n-p também é pesadamente
dopada.
A região de coletor no
transistor p-n-p também é
moderadamente dopada.
A base no transistor p-n-p também é
fina e levemente dopada.
12

13
P N P
Base
Coletor
Emissor
N P N
Base
Coletor
Emissor
Emissor Base Coletor Emissor Base Coletor

14
Dependendo da polaridade da tensão aplicada em cada
junção, obtém-se diferentes modos de operação do TBJ.
Modos de operação doTBJ
tipo-n
Emissor
tipo-n
Coletor
tipo-p
Base
n-p-n

Polarização
Para um transistor bipolar funcionar apropriadamente,
as duas junções p-n devem estar convenientemente
polarizadas.
15

16
Efeitos de se polarizar
separadamente cada junção

17
Para se entender como funcionam os transistores
bipolares, vamos inicialmente estudar cada junção
polarizada separadamente, para depois uni-las e fazer
uma análise do dispositivo como um todo.

18
Agora, note o sentido da corrente.

19
Lembre-se que a corrente convencional tem sentido
contrário ao fluxo de elétrons, e mesmo sentido que
o fluxo de lacunas

Polarizando-se a junção E-B diretamente com tensão VBE
n np
+-
VBE
iB
20
Emissor Coletor
Base

n np
+-
VBE
Corrente de portadores
majoritários do lado n,
no caso elétrons, se
dirigem para a base.
Corrente de portadores minoritários do lado p, no
caso elétrons, se dirigem para o lado n.
iB
21
Emissor Coletor
Base

+ -
n np
+-
VBE
majoritários do lado n,
no caso elétrons, se
dirigem para a base.
Corrente de portadores minoritários do lado p, no
caso elétrons se dirigem para o lado n.
iB
A junção E-B funciona como um diodo polarizado
diretamente, fazendo fluir através dela uma grande
corrente iB de portadores majoritários, elétrons livres no
caso do transistor n-p-n. 22
Emissor Coletor
Base

O mesmo acontece se polarizarmos diretamente a
junção emissor base no caso de um transistor bipolar pnp
+ -
p pn
-+
VEB
majoritários do lado p, no
caso, lacunas, se dirigem à
base.
Corrente de portadores minoritários
(lacunas) do lado n se dirigindo ao lado p.
iB
23

Assim, polarizando-se a junção E-B diretamente com
VBE (n-p-n) e VEB (p-n-p)
+ -
p pn
-+
n np
+-
VBE VEB
Corrente de
portadores
majoritários
(elétrons) do lado
n se dirigindo à
base.
Corrente de
portadores
majoritários
(lacunas) do lado
p se dirigindo à
base.
(elétrons) do lado p se dirigindo ao
lado n.
(lacunas) do lado n se dirigindo ao
lado p.
iB iB
Aparece uma pequena corrente, em sentido contrário,
devido aos portadores minoritários. Esta corrente é
chamada de corrente de fuga. 24

Analogamente, a junção B-C também comporta-se como
uma junção p-n comum.
-+
VCB VBC
n np p pn
+-
Alargamento da região
de depleção
Alargamento da região
de depleção
25

A barreira de potencial aumenta, devido ao alargamento da
região de depleção, diminuindo drasticamente o fluxo de
corrente dos portadores majoritários, porém, os portadores
minoritários atravessam a barreira com facilidade, no sentido
contrário, fazendo circular uma corrente reversa, ainda menor e
praticamente desprezível, pois tais portadores são em número
muito pequeno.
-+
VCB VBC
n np p pn
+-
Alargamento da região de
depleção
Alargamento da região de
depleção
26

27
Tendo compreendido o efeito de se polarizar
separadamente cada junção, o próximo passo é
compreender quais são os efeitos de se polarizar
simultaneamente ambas as junções.

28
Efeitos de se polarizar
simultaneamente ambas as
junções

Polarização
Neste cenário, há quatro possíveis combinações,
porém, somente três delas desempenham um papel
significante na eletrônica:
29

Polarização
i. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas
Reversamente  condição de cut-off
30

Polarização
ii. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas
Diretamente  condição de saturação
31

Polarização
ii. Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas
Diretamente  condição de saturação
iii. Junção Base-Emissor polarizada diretamente e Base-
Coletor polarizada Reversamente  operações
lineares (modo ativo)
32

Operação
É importante compreender quais são os efeitos de
se polarizar simultaneamente ambas as junções.
33

34
i- Junção Base-Emissor e Base-
Coletor polarizadas Reversamente

i- Junção Base-Emissor e Base-Coletor
polarizadas Reversamente
Esta é a condição conhecida como
cut off (corte)
e é essencial para operações
digitais.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
35

Não é usada em operações
lineares, tais como
amplificadores.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
36

Em operações digitais o
transistor somente opera
como chave aberta ou
chave fechada (do inglês,
switch on e switch off).
N
N
P
+
-
-
+
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
37

Operações lineares no transistor
ocorrem no espectro inteiro
entre os estados ON e OFF,
ligado/desligado. N
N
P
+
-
-
+
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
38

39
ii - Junção Base-Emissor e Base-
Coletor polarizadas Diretamente

ii - Junção Base-Emissor e Base-Coletor
polarizadas Diretamente
A corrente é grande nas duas
junções  é a condição de
corrente mais alta para um
transistor.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
40

Esta condição é chamada de
saturação.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
41

Nestas condições: (transistor típico)
i. VE = 0 V
ii. VB = 0.7 V
iii.VC = 0.2 V N
N
P
+
-
-
+
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
42

Comporta-se como um curto-circuito.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
43

Saturação e cut-off (corte) são
as condições usadas em
circuitaria digital e
conseqüentemente em
microprocessadores.
N
N
P
+
-
-
+
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
44

45
iii - Junção Base-Emissor polarizada
diretamente e Base-Coletor
polarizada Reversamente

iii - Junção Base-Emissor polarizada diretamente e
Base-Coletor polarizada Reversamente
N NP
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
ICIE
IB
Observa-se agora que o fluxo de portadores majoritários na junção E-B,
que antes se dirigia totalmente ao terminal de base, agora devido à
atração maior exercida pelo coletor, dirige-se quase totalmente para o
coletor, atravessando a junção B-C sem a menor dificuldade.
46

-+
VCB VBC
n np p pn
+-+-
VBE
-+
VEB
Tensões e correntes nos transistores
n-p-n e p-n-p
iB iBiEiE iC iC
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iE
VCB
VBE
VCE
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iE
VEB
VBC
VEC
47

48
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iE
VCB
VBE
VCE
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iE
VEB
VBC
VEC
Abaixo, é mostrado o esquema geral de tensões e
correntes de portadores majoritários para os transistores
npn e pnp, assumindo-se o sentido convencional de
corrente, e lembrando-se que as correntes de
portadores minoritários são em geral desprezadas.
npn pnp

iE = iB + iC
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iE
VCB
VBE
VCE
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iE
VEB
VBC
VEC
Aplicando-se a primeira lei de Kirchhoff para as correntes:
n-p-n p-n-p 49
-+
VCB VBC
n np p pn
+-+-
VBE
-+
VEB
iB iBiEiE iC iC

Aplicando-se a segunda lei de Kirchhoff para as tensões:
VEC = VBC + VEBVCE = VBE + VCB
50
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iE
VCB
VBE
VCE
Emissor
Coletor
Base
iB
iC
iE
VEB
VBC
VEC
n-p-n p-n-p
-+
VCB VBC
n np p pn
+-+-
VBE
-+
VEB
iB iBiEiE iC iC

O comportamento esperado do transistor nesse tipo
de configuração em circuitos eletrônicos é fazer o
controle da passagem de corrente entre o emissor e o
coletor através da base.
Isto é alcançado polarizando o transistor
adequadamente.
 Junção Base-Emissor polarizada diretamente e
 Junção Base-Coletor polarizada Reversamente.

52
N NP
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
Fluxo de corrente em um transistor npn polarizado de
modo a operar na região ativa. Sentido convencional
das correntes.
iCiE
iB
iE = iB + iC

53
53
Devido a difusão de portadores nas junções J1 e J2,
barreiras de potencial são produzidas entre emissor e
base e base e coletor, de 0.7 V para o silício e de 0.3 V
para o germânio, à temperatura ambiente.
J1 : Junção emissor-base J2: Junção base-coletor
N NP
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
iCiE
iB

54
Considere a junção J1 em polarização direta e a junção
J2 em polarização reversa.
N NP
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
ICIE
IB

55
Como a junção J1 está polarizada diretamente, não
oferece barreira aos elétrons, que passam para a região P.
N NP
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
ICIE
IB

56
Esta região (P) sendo muito estreita, e estando os
elétrons muito acelerados, apenas alguns conseguem
se recombinar com as lacunas da região P.
N NP
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
ICIE
IB

Para entender porque a corrente se dirige menos à base
basta lembrar que a base é mais estreita e fracamente
dopada.
N NP
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
ICIE
IB
57

Assim os portadores que vêm do emissor saturam a base
rapidamente através das recombinações, fazendo com
que os portadores se dividam em duas partes:
 Uma pequena parte saindo pelo terminal de base;
 E a maior parte saindo pelo coletor, atraídos pela sua
tensão.
N NP
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
ICIE
IB
58

59
A polarização direta na base de um transistor controla a
quantidade de corrente que passa pelo circuito de
coletor.
N NP
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
ICIE
IB

60
A maior parte do fluxo de corrente é de emissor para
coletor, sendo que apenas uma pequena corrente circula
entre emissor e base, ilustrando o efeito de
amplificação.
N NP
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
ICIE
IB

61
Pode-se controlar a corrente C-B controlando-se a
polarização E-B.
N NP
RE RC
+
_ _
+
VBE VCB
ICIE
IB

Nestas condições:
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
62

O fluxo de corrente é máxima do
emissor para o coletor.
A corrente de base é muito
pequena.
A corrente base-emissor é alta.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
63

Sabemos que o emissor é
pesadamente dopado, contendo
muito elétrons livres.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
64

Como a base é levemente
dopada com lacunas, se alguns
elétrons se recombinam com as
lacunas, outros elétrons podem
sair da base.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
65

A maior parte dos elétrons
“verão” o positivo do coletor,
entrarão na região de depleção,
entre a base e o coletor, e serão
varridos para o coletor.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
66

O transistor é construído de
modo a encorajar que a
corrente flua do emissor para o
coletor, sob polarização. N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
67

A base por ser levemente
dopada não estimula a
recombinação  por isso a
recombinação é difícil. N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
68

A base sendo muito fina, faz
com que seja mais provável
que os elétrons livres encontre
a camada de depleção
base/coletor antes de
encontrar uma lacuna.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
69

95 ~ 99 % dos elétrons fluirão
através do coletor.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
70

Assim, definimos o α do transistor
α = IC / IE
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
71

Esta configuração é exigida
para transistores operando na
região linear.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
72

A saída terá uma forma de onda
idêntica a onda da entrada.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
73

Correntes de emissor e coletor
serão aproximadamente iguais.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
74

Corrente de base será muito
pequena.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
75

Se a corrente de base varia, a
corrente no emissor e coletor
variarão proporcionalmente.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
76

Esta é a base para a amplificação.
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
77

A razão entre a corrente de
base e de coletor é pequena e
é chamada de β do transistor
β = IC / IB = hFE
N
N
P
+
+
-
-
Terminal
de coletor
Terminal de
emissor
78

Em resumo . . .
É importante compreender quais são os efeitos de
se polarizar simultaneamente ambas as junções.
79

80
Disso resulta os modos
de operação do TBJ

Modos de operação do TBJ
O transistor pode operar em três diferentes estados:
82

Cut-off (corte) – no qual o transistor não tem nenhuma
corrente de saída. (i- Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas
Reversamente)
83

Reversamente)
Região Ativa – no qual a corrente de saída de coletor, iC
é controlada pela corrente de base, iB, (ii - Junção Base-Emissor e
Base-Coletor polarizadas Diretamente) e
84

Reversamente)
Saturação – onde a corrente de coletor do transistor
alcança um valor máximo e um aumento na corrente de
base não tem nenhum efeito sobre a corrente de coletor
(ii - Junção Base-Emissor e Base-Coletor polarizadas Diretamente), e
Região Ativa – no qual a corrente de saída de coletor, iC
é controlada pela corrente de base, iB, (iii - Junção Base-Emissor
polarizada diretamente e Base-Coletor polarizada Reversamente).
85

Cut-off ou corte
A corrente de saída do transistor é zero ou desprezível.
87

Cut-off
Quando a corrente iC é zero, a tensão de saída é
máxima
 Normalmente igual à tensão de polarização da
fonte.
88

Cut-off
Portanto, no modo cut-off
VCE = VCC, e iC = 0,
Onde VCC é a tensão de polarização do gerador.
89

Cut-off
Este modo é o oposto da saturação.
90

Saturação
O transistor produzirá a corrente máxima para o
circuito, e o valor dessa corrente é dependente dos
parâmetros do circuito.
92

Saturação
O transistor é considerado saturado quando a tensão
coletor-emissor é próxima a zero ou maior do que 0.2 V.
93

Saturação
Saturação também pode ser expressa VCE ≈ 0 e iC é o
valor máximo.
94

Saturação
Saturação é quando o transistor tem corrente máxima
mas tensão de saída mínima, o oposto do modo cut-off.
95

Modo Ativo
Nesse modo, a corrente de saída iC é controlada pela
corrente de entrada iB.
97

Modo Ativo
Modo ativo é útil para projetar amplificadores de
corrente e tensão.
98

Modo Ativo
A relação entre as correntes é expressa pela
iE = iC + iB, e iC = β · iB
99

Modo Ativo
Isto demonstra que as correntes de coletor e emissor
são funções da iB corrente de entrada.
100

Modo Ativo
Quando a corrente de controle é a corrente de base,
dizemos que o dispositivo é controlado por corrente.
101

Conceitos de Polarização
Conceitos importantes para se entender sobre polarização de transistores e características.
O beta do transistor
β = IC / IB = hFE
O alfa do transistor
α = IC / IE
Saturação
 fluxo de corrente máxima do transistor
Corte (cutoff)
 nenhum fluxo de corrente
1
2
3
4
Emissor
Coletor
Base
Transistor típico: 2N3904 tem
100 < β < 300
Para o transistor
na região ativa.
102

Condições de Polarização
Para as várias aplicações, certas condições devem ser
satisfeitas para que o circuito opere apropriadamente.
Aplicação Região de
operação do
transistor
Polarização
B - E
Polarização
B - C
Circuitos
digitais
Saturação Direta Direta
Circuitos
digitais
Corte Reversa Reversa
Amplificadores Linear Direta Reversa
103

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