Transistor de junção bipolarSedra & Smith, 4a edição, capítulo 4

http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/toc5.htmadaptação – Prof. Corradi

www.corradi.junior.nom.br Transistor npn

Figura 4.1 Estrutura simplificada do transistor npn.

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.

Modos de operação do TJB npnhttp://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/chapter5/ch5_3.htm e Sedra.

Modo JEB JCBCortado Reverso Reverso

Ativo Direto Reverso

Saturação Direto Direto

Amplificadores com TJB

“Ligado” – baixa impedância Saturado

Liga/Desliga: circuitos lógicos

“Desligado” – elevada impedância

Cortado (vBC e vBE reversam. pol.)

Pequena corrente reversa.

A função do emissor e do coletor são invertidas (TJB não são normalmentesimétricos).

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.

Concentração dos portadores minoritários

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 vCB 0.

ncoletor = 0 JBC diretamente

polarizada

TBE Vvpp enn /

0)0(

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).

W

nDqA

dx

xdnDqAI p

nEp

nEn)0(

)(

TBE VvSC eIi /

A

inE

pnES NW

nDqA

W

nDqAI

)0(

20

IS: fator de escala de corrente

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):

TBE Vv

PD

ipEB e

LN

nDqAi /

2

1

Dp: difusividade das lacunas no emissor;

Lp: comprimento de difusão de lacunas no emissor;

ND: concentração de dopantes no emissor.

TBE Vv

Ab

iE

b

nB e

N

nWqAQi /

2

2

21

b: tempo de vida do portador minoritário

Qn: carga do portador minoritário na base.

A corrente de base iB (2)

: ganho de corrente com emissor comum (usualmente, 100 < < 200).

Para obter um elevado valor de (desejável), a base deve ser fina (W pequeno) e levemente dopada e o emissor fortemente dopado (NA / ND pequeno).

TBE VvSCBBB e

Iiiii /

21

bnPD

A

n

p

DW

LW

NN

D

D

21

12

Constante para um transistor em particular (no caso ideal)

A corrente de emissor iE

: constante para um transistor em particular (idealmente), < 1 (se, por ex., = 100 0,99).

Pequenas variações em correspondem a grandes variações em .

: ganho de corrente em base comum.

TBE VvSCBCE eIiiii /

1

1

1 ,

1 , EC ii TBE VvS

E eI

i /

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 / ; iE = iC + iB

iB << iC ( >>1) iE iC (iC = iE , < 1, mas 1)

Modelos de circuitos equivalentes

Diodo DE : fator de escala de corrente = IS / 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 iE.

B: terminal comum (terra) : ganho de corrente de E para C.

Estrutura física simplificada

Fazer os exercícios 4.1 a 4.5 do livro texto.

Figura 5.6 Seção transversal de um TJB npn.

O transistor pnp

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

O transistor pnp – circuitos equivalentes (grandes sinais)

Figura 4.8 Dois modelos de grandes sinais para o transistor pnp operando no modo ativo.

B C

E

iB iC

iE

TEB VvS eI /

/S

B

I

D+vEB

–

Símbolos de circuito e convençõesiC iE 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 ).

Relações corrente-tensão do TJB no modo ativo de operação

TBE VvSC eIi /

TBE VvSCB e

Iii /

.por substitua ,r transistoo Para :Obs

/

EBBE

TBE

vvpnp

VvSCE e

Iii

BEBC

EEBEC

iiii

iiiii

1

1 1

1

1

ambiente ra temperatuna

térmicatensão

mV 25

q

kTVT

Exemplo 4.1O transistor na figura tem = 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.

Exemplo 4.1 - solução

VC = +5 V VRC = 15 – 5 = 10 V

IC = 2 mA VRC = 10 V / 2 mA = 5 k

vBE = 0,7 V com iC = 1 mA

vBE com iC = 2 mA é dado por:

V 717,012

ln7,0

TBE VV

VB = 0 VE = – 0,717 V

= 100 = 100/101

IE = IC / = 2 / 0,99 = 2,02 mA

RE = (VE – (– 15)) / IE = 7,07 k

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 / para iE e IS / 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.

TBE VvSC eIi /

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.

EC ii

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.

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:

A

CEVvSC V

veIi TBE 1 / Inclinação não-nula das linhas

retas iC – vCE : a impedância de saída do coletor não é infinita

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.

1

constante

BEvCE

Co v

ir

Análise dc de circuitos com transistoresModelo 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 = 100.

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 = IE = / (+1) = 100/101 0,99

IC = 0,991 = 0,99 mA.

VC = 10 – IC RC = 10 – 0,99 4,7 +5,3 V: VBC = – 1,3V ()

Exemplo 4.2 – análise (2)VBE > 0 , VBC < 0: O transistor está na região ativa?

IB = IE / ( + 1) = 1 / 101 0,01 mA.

Condições consistentes O transistor está na região ativa!

Exemplo 4.3

Analise o circuito da figura e determine as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma = 100.

O transistor está na região ativa? Assuma, inicialmente, operação na região ativa.

O transistor está no modo de saturação (visto mais adiante).

Exemplo 4.4Analise o circuito da figura e determine as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma = 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.

Exemplo 4.5Analise o circuito da figura e determine as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma = 100.

Observe que o transistor agora é pnp!

Exemplo 4.6Analise o circuito da figura e determine as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma = 100.

O transistor está no modo ativo?

Exemplo 4.7Analise o circuito da figura e determine as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma = 100.

O transistor está no modo ativo?

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

Exemplo 4.8

Analise o circuito da figura e determine as tensões em todos os nós e as correntes em todos os ramos. Assuma = 100.