Eletronica

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(Parte 1 de 2)

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Ano lectivo de 2008/2009

Transístor bipolar – Polarização

Monografia para a Unidade Curricular Electrónica I

Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Diana Esteves, 27821 Nuno Miguel Carvalho, 28940

UTAD, 26 de Dezembro de 2008

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Ano lectivo de 2008/2009

Transístor bipolar – Polarização

Diana Esteves, 27821 Nuno Miguel Carvalho, 28940

UTAD, 26 de Dezembro de 2008

Monografia da Unidade Curricular de Electrónica I Transístor bipolar – Polarização

UTAD/Electrónica I Ano Lectivo 2008/2009 Página i

Capítulo 1 – Transístor Bipolar1
1.1-Estrutura e Funcionamento de um transístor bipolar1
1.1.1 - Estrutura1
1.1.2 – Funcionamento2 1.1
1.1.2.1 - Funcionamento de um transístor NPN3
1.1.2.2 - Funcionamento de um transístor PNP4
1.2 - Junções PN do Transístor bipolar5
Capítulo 2 - Polarização dos Transístores Bipolares6
2.1- Modelo para JBE directamente polarizada e JBC inversamente polarizada6
2.2 - Regiões de Operação10
2.3 – Modos de Operação1
2.3.1 – Região de Corte1
2.3.2 – Região Activa1
2.3.3 - Região de Saturação12
2.4 - Polarização IB Constante14

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Introdução

O transístor é um componente electrónico semicondutor composto de três terminais, sendo que o potencial (ou a corrente eléctrica) de um deles é usado para controlar o nível de corrente que circula nos outros dois terminais (terminais principais).

O primeiro transístor inventado foi do tipo “Contacto de Ponta” ou simplesmente transístor de “ponta”, que se baseava no fenómeno da rectificação, verificado quando se apoiavam contactos metálicos na superfície do cristal semicondutor (no início o germânio – Ge).

Quase que simultaneamente foi desenvolvido outro procedimento, mais estável e reprodutível que o primeiro, empregando o princípio da junção P-N. O componente é denominado hoje em dia de transístor bipolar de junção. O termo bipolar está relacionado com o facto de o dispositivo empregar dois tipos de portadores, electrões e lacunas, no processo de circulação da corrente eléctrica. (Outros dispositivos, como o transístor de efeito de campo – FET, só empregam um tipo, electrões ou lacunas).

Os primeiros transístores foram desenvolvidos na empresa norte-americana “Bell Telephones Laboratories, Inc.” (um braço de pesquisas da gigante de telefonia AT&T) no final de 1947. Em Maio de 1948, um memorando interno da empresa foi circulado solicitando contribuições para a denominação do novo componente.

O transístor e outros componentes semicondutores electrónicos similares constituem a base para o projecto de amplificadores e chaves estáticas, empregados em Electrónica Digital e Microprocessadores, bem como em Conversores de Electrónica de Potência. O comportamento do transístor pode ser explicado por meio de fontes controladas (corrente/corrente ou corrente/tensão – transcondutância). Os fenómenos relacionados com tais componentes permitem ainda fazer com que se comportem como díodos, capacitores e diversos tipos de fontes controladas, o que é a base para a implementação de circuitos integrados (chips).

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Capítulo 1 - Transístor bipolar

1.1 - Estrutura e Funcionamento de um transístor bipolar

1.1.1 Estrutura

O transístor recebe esta denominação de bipolar porque no seu funcionamento participam dois tipos de portadores com cargas opostas: electrões e lacunas livres. Este transístor é constituído por três cristais de material semicondutor dopado (cristais extrínsecos), de modo a formar duas junções "P-N". Desta forma, podemos ter dois tipos de transístores de junção bipolares, dependendo do cristal semicondutor intermédio ser P ou N (figura 1).

Figura 1: Os dois tipos de transístores de junções bipolares

O transístor "N-P-N" é formado por dois cristais do tipo N e por um cristal intermédio do tipo P (figura 1”A”), enquanto o tipo "P-N-P" é formado por dois cristais do tipo P e um cristal intermédio tipo N (figura 1”B”). Tanto no transístor "N-P-N" como no transístor "P-N-P", a espessura do cristal do centro é bem menor do que a dos cristais dos extremos. O cristal do centro recebe o nome de base (B) e os outros dois cristais são chamados de emissor (E) e de colector (C). Assim, todo o transístor bipolar, seja ele "N-P-N" ou "P-NP", possui três terminais: emissor, base e colector (figura 2), e cada um deles tem um significado especial, de acordo com a função desempenhada pelo correspondente terminal.

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Figura 2: Os três terminais de um transístor bipolar: E = emissor; B = base; C = Colector

As duas junções do transístor bipolar recebem nomes especiais: junção base-emissor, formada pelos cristais que constituem a base e o emissor, e junção base-colector, formada pelos cristais que constituem a base e o colector. A figura 3 mostra as duas junções, tanto nos transístores "N-P-N" como nos "P-N-P".

Figura 3: As duas junções de um transístor bipolar

1.1.2 Funcionamento

Basicamente, um transístor é constituído pela combinação de dois díodos de junção PN. Uma junção PN é polarizada directamente e a outra inversamente. A união desses dois componentes poderá ser feita de duas formas: união através do material P, para produzir um transístor NPN e união através do material N, para produzir um transístor PNP.

Figura 4: Polarização do transístor NPN e PNP.

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1.1.2.1 Funcionamento de um transístor NPN

Imaginando que um transístor "N-P-N" seja polarizado adequadamente, isto é, junção base-emissor com polarização directa e junção base-colector com polarização inversa, conforme vemos na figura 5. Os electrões livres, presentes em grande quantidade no emissor (cristal N) e repelidos pelo terminal negativo da bateria V1, deslocam-se em direcção à base (cristal P). Ao atingirem esta base, alguns desses electrões (cerca de 5%) recombinam-se com as lacunas ai existentes. Contudo, corno a região da base é bastante estreita (a sua espessura é da ordem de alguns centésimos de milímetro), a maior parte dos electrões livres provenientes do emissor (cerca de 95%) conseguem atingir a região do colector (cristal N), sem se recombinarem com as lacunas da base. Ao atingirem o colector, aqueles electrões livres são rapidamente atraídos pelo terminal positivo da bateria V2.

Figura 5: Movimento dos electrões livres num transístor "N-P-N"

À medida que os electrões livres do emissor penetram na base, novos electrões são fornecidos ao emissor pelo terminal negativo da bateria V1. Como apenas 5% desses electrões do emissor se recombinam com as lacunas da base, verifica-se a passagem de urna corrente bastante reduzida através da base.

É fácil concluir, por tanto, que os principais responsáveis pelas correntes que se estabelecem num transístor "N-P-N" são electrões livres (figura 7), pois estes portadores estão em maioria, tanto no emissor como no colector (cristal tipo N).

Na prática, sempre estaremos interessados em fazer com que a corrente que circula pelo terminal do colector seja a maior possível, o que é conseguido com a alta dopagem do cristal que constitui o emissor e com a espessura bem reduzida do cristal que forma a base. Como o emissor é fortemente dopado, ele "emitirá" um número bem grande de portadores. Por outro lado, como a base é bastante estreita, a maior parte daqueles portadores atravessará a sua região, atingindo o colector. Desta forma, a corrente que passa pelo terminal do colector será elevada, pois ela é praticamente igual á corrente que passa pelo terminal do emissor.

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1.1.2.2 Funcionamento de um transístor PNP

Para o tipo "P-N-P", a explicação do efeito transístor é praticamente a mesma. A única diferença é que, neste caso, os principais portadores das correntes que se estabelecem no transístor são as lacunas, porque estas estão em maioria, tanto no emissor como no colector (cristais tipo P). A figura 6 ilustra, resumidamente, todo este processo.

Figura 6: Movimento das lacunas num transístor "P-N-P"

As lacunas do emissor repelidas pelo terminal positivo da bateria V1 deslocam-se em direcção a base. Como a região desta é bastante estreita, apenas 5% dessas lacunas se recombinam com os electrões livres aí existentes, e as restantes (95%) penetram no colector, sendo, então, atraídas pelo terminal negativo da bateria V2.

As lacunas que se recombinam provocam uma corrente de intensidade bastante reduzida, a qual passa pelo terminal da base.

Nesta altura, já podemos justificar os nomes dados aos três terminais de um transístor bipolar: emissor (E) é o terminal de onde partem (ou são "emitidos") os portadores de corrente (electrões livres no tipo "N-P-N" e lacunas no tipo "P-N-P"); colector (C) é o terminal onde chegam ou são "colectados" aqueles portadores de corrente; base (B), assim chamada, porque nos tipos mais antigos de transístores servia de apoio ou de "base" aos cristais do emissor e do colector.

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1.2 - Junções PN do Transístor bipolar

O transístor bipolar de junção é constituído por três camadas semicondutoras de silício ou germânio dopadas alternadamente. Assim sendo formam-se duas junções PN, ilustradas na Figura 7, que dão origem aos transístores NPN e PNP. Os terminais externos são denominados (E) Emissor, (B) Base e (C) Colector. O terminal da base é o terminal de controlo e os terminais emissor e colector são os terminais principais, por onde circula a corrente que se deseja controlar. J1 e J2 são as junções base\emissor e base\coletor. Na figura 8 e na figura 9 pode-se observar o sentido das correntes convencionais do transístor e ver a sua esquematização para o seu funcionamento.

NPNPNP

Figura 7: Tipos e símbolos do transístor de junção

Figura 8: Sentido convencionalFigura 9: Sentido convencional

das correntes num transístor PNP. das correntes num transístor NPN.

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Capitulo 2 – Polarização dos Transístores Bipolares

2.1 - Modelo para JBE (base - emissor) directamente polarizada e JBC (base - colector) inversamente polarizada

Sem polarização, uma junção NPN ou PNP, apresenta duas barreiras de potencial B.P1 e B.P2, idênticas às da junção PN de um díodo semicondutor.

Figura 10 – Junção NPN.

Figura 1 – Junção PNP.

Para que exista circulação de corrente (i.e. movimento de electrões e lacunas) é necessário colocar baterias que poderão deixar cada junção directa ou inversamente polarizada.

As figuras seguintes mostram todas as possibilidades de polarização, destacando o caso mais vantajoso:

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1ºcaso: As duas junções inversamente polarizadas

Figura 12 – J1 e J2 inversamente polarizadas.

Neste caso, não há circulação de corrente pois as duas junções encontram-se inversamente polarizadas, deixando o dispositivo em situação de corte.

2ºcaso: As duas junções directamente polarizadas

Figura 13 – J1 e J2 directamente polarizadas

Neste caso, a corrente circula pelas duas junções, estando o dispositivo em situação de saturação.

3ºcaso: J1 directamente polarizada e J2 inversamente polarizadas

Figura 14 – Polarização directa de J1 e inversa de J2.

Neste caso, a corrente circula por J1 e J2, apesar da polarização inversa de J2. Este fenómeno é denominado Efeito Transístor.

Considerando o transístor NPN, no 3ºcaso, os electrões livres do emissor são injectados na região da base devido à polarização directa da junção base - emissor (J1). Como a junção base - colector (J2) possui polarização inversa, os electrões injectados no interior da base, provenientes do emissor, são atraídos para o colector, devido à tensão positiva presente neste terminal. Portanto, a corrente que passa pela junção base - colector é praticamente igual à que passa pela junção base - emissor. Ou seja, temos um ganho de corrente pois a junção base - colector está inversamente polarizada. Este fenómeno é denominado Efeito Transístor pois ocorre uma amplificação da corrente que circula na junção base - colector.

O funcionamento do transístor PNP é análogo ao do NPN, com a diferença de que os portadores de carga são agora lacunas, o que inverte o sentido de todas as correntes.

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Figura 15 – Junção base-emissor directamente polarizada

Figura 16 – Junção base-colector inversamente polarizada

Onde IC=βFIB

Nas figuras 8 e 9 estão representadas a simbologia dos transístores NPN e PNP com as respectivas correntes e tensões para a devida polarização. A corrente de emissor IE é composta pela soma das correntes de base IB e de colector IC. Analogamente, a tensão entre colector - emissor (VCE ou VEC) é composta pela soma das tensões base - emissor (VBE ou VEB) e base - colector (VCB e VBC).

Figura 17 – Transístor NPNFigura 18 – Transístor PNP

Assim tem-se:

IE=IB+IC VCE=VCB+VBE (para um transístor NPN) VEC=VBC+VEB (para um transístor PNP)

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Para traçar a curva característica de entrada, deve-se variar a corrente de base e medir a tensão entre base e emissor, mantendo constante a tensão entre o colector e o emissor, resultando na curva apresentada na figura 10 mostra esta característica.

Figura 19 – Característica de entrada de um transístor.

Para traçar a curva característica de saída, devem-se fixar valores de corrente de base, varia a tensão entre o colector e emissor e medir a corrente do colector. Na figura 1 estão representadas as curvas características da saída, para as várias correntes de base IB.

Figura 2 – Característica de saída de um transístor (curva PC Máx.=IC×VCE).

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2.2 - Regiões de Operação

Os transístores são utilizados como elementos de amplificação de corrente e tensão, ou como elementos de controlo ON-OFF. Tanto para estas como para outras aplicações, o transístor deve estar polarizado correctamente. Para isso o transístor é preciso fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua, dentro de suas curvas características. No qual se designa polarização DC, este ponto de operação pode estar localizado nas regiões de corte, saturação e activa (figura 21 e figura 2).

VCErelacionadas aos modos de operação do transístor bipolar.

Figura 21: a) Modos de operação para um transístor bipolar npn; b) Regiões da curva característica ICFigura 2: Regiões onde opera um transístor a) b)

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2.3 – Modos de Operação

O transístor bipolar pode operar em outras regiões além da região linear, bastando para isso polarizar as junções Emissor\Base e Colector\Base (figura 23).

Pressupõe-se que VBC < 0 e para 0 < VBE < Vo transístor bipolar npn encontra-se na região linear. No entanto, como para o caso de um díodo, se VBE < Vna prática considera-se que a corrente que flui pela junção base\emissor não é plausível, portanto diz-se que a junção "não está" polarizada directamente (tabela 1).

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