Apostila de transistor1

Apostila de transistor1

(Parte 1 de 5)

TRANSISTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR

Prof. Marcelo Avelino

O transistor de junção bipolar é um dispositivo semicondutor de três terminais, formado por três camadas consistindo de: duas camadas de material tipo "n" e uma de tipo "p" ou de duas de material tipo "p" e uma de tipo "n".

O primeiro é chamado de transistor npn enquanto que o segundo é chamado de transistor pnp.

Através de uma polarização de tensão adequada consegue-se estabelecer um fluxo de corrente, permitindo que o transistor seja utilizado em inúmeras aplicações como: chaves comutadoras eletrônicas, amplificadores de tensão e de potência, osciladores, etc.

O termo bipolar refere-se ao fato dos portadores lacunas e elétrons participarem do processo do fluxo de corrente. Se for utilizado apenas um portador, elétron ou lacuna, o transistor é denominado unipolar (FET).

ESTRUTURA BÁSICA:

As figuras abaixo ilustram a estrutura básica de um transistor, representando um circuito T equivalente com diodos, ligados de tal forma a permitir a identificação da polarização das junções, as quais são: base-emissor e base-coletor (B-E e B-C respectivamente).

Observa-se que no transistor pnp a junção dos dois catodos do diodo forma a base, que é negativa, sendo o emissor e o coletor positivos, enquanto que no transistor npn a junção dos dois anodos forma a base que é positiva, sendo o emissor e o coletor negativos. A simbologia utilizada para os transistores de junção é mostrada logo abaixo dos circuitos equivalentes "T" com diodos.

POLARIZAÇÃO:

Para que um transistor funcione é necessário polarizar corretamente as suas junções, da seguinte forma:

1 - Junção base-emissor: deve ser polarizada diretamente

2 - Junção base-coletor: deve ser polarizada reversamente

Esse tipo de polarização deve ser utilizado para qualquer transistor de junção bipolar, seja ele npn ou pnp.

Transistor npn com polarização direta entre base e emissor e polarização reversa entre coletor e base.

As figuras abaixo ilustram exemplos de polarização para os dois tipos de transistores:

Transistor pnp com polarização direta entre base e emissor e polarização reversa entre coletor e base

Observe atentamente nas figuras acima a polaridade das baterias.

OPERAÇÃO BÁSICA:

1 - Junção diretamente polarizada:

A figura abaixo mostra o desenho de um transistor pnp com a polarização direta entre base e emissor. Para estudar o comportamento da junção diretamente polarizada, foi retirada a bateria de polarização reversa entre base e coletor.

Observa-se então uma semelhança entre a polarização direta de um diodo com a polarização direta entre base e emissor, onde aparece uma região de depleção estreita.

Neste caso haverá um fluxo relativamente intenso de portadores majoritários do material p para o material n.

2 - Junção reversamente polarizada:

Passemos a analisar o comportamento da junção reversamente polarizada, conforme mostra a figura abaixo. Neste caso, foi removida a bateria de polarização direta entre emissor e base.

Observa-se agora, em virtude da polarização reversa um aumento da região de depleção semelhante ao que acontece com os diodos de junção, isto é ocorre um fluxo de portadores minoritários (corrente de fuga nos diodos), fluxo este que depende também da temperatura. Podemos então dizer que uma junção p-n deve ser diretamente polarizada (base-emissor) enquanto que a outra junção p-n deve ser reversamente polarizada (base-coletor).

FLUXO DE CORRENTE:

Quando um transistor é polarizado corretamente, haverá um fluxo de corrente, através das junções e que se difundirá pelas camadas formadas pelos cristais p ou n.

Essas camadas não tem a mesma espessura e dopagem, de tal forma que:

  1. A base é a camada mais fina e menos dopada;

  2. O emissor é a camada mais dopada;

  3. O coletor é uma camada mais dopada do que a base e menos dopada do que o emissor.

Uma pequena parte dos portadores majoritários ficam retidos na base. Como a base é uma película muito fina, a maioria atravessa a base a se difunde para o coletor.

A corrente que fica retida na base recebe o nome de corrente de base (IB), sendo da ordem de microampères. As correntes de coletor e emissor são bem maiores, ou seja, da ordem de miliampères, isto para transistores de baixa potência, podendo alcançar alguns ampères em transistores de potência. Da mesma forma, para transistores de potência, a corrente de base é significativamente maior.

Podemos então dizer que o emissor (E) é o responsável pela emissão dos portadores majoritários; a base (B) controla esses portadores enquanto que o coletor (C) recebe os portadores majoritários provenientes do emissor.

A exemplo dos diodos reversamente polarizados, ocorre uma pequena corrente de fuga, praticamente desprezível, formada por portadores minoritários. Os portadores minoritários são gerados no material tipo n (base), denominados também de corrente de fuga e são difundidos com relativa facilidade até ao material do tipo p (coletor), formando assim uma corrente minoritária de lacunas. Lembre-se de que os portadores minoritários em um cristal do tipo n são as lacunas.

Desta forma a corrente de coletor (IC),formada pelos portadores majoritários provenientes do emissor soma-se aos portadores minoritários (ICO) ou (ICBO).

Aplicando-se a lei de Kirchhoff para corrente (LKT), obtemos:

IE = IC + IB, onde:

IC = IC (PORTADORES MAJORITÁRIOS) + ICO ouICBO (PORTADORES MINORITÁRIOS)

Para uma melhor compreensão, a figura a seguir ilustra o fluxo de corrente em um transistor npn, através de outra forma de representação. No entanto, o processo de análise é o mesmo.

Na figura acima oberva-se que os portadores minoritários (ICO ou ICBO) provenientes da base são os elétrons, que se somarão a corrente de coletor.

Verifica-se ainda em relação ao exemplo anterior (transistor pnp), que a corrente de base (IB) tem um sentido oposto, uma vez que, essa corrente é formada por lacunas. Da mesma forma as correntes de emissor (IE) e de coletor (IC) também tem sentidos opostos, por serem formadas por elétrons.

OBS: Os transistores do tipo pnp e npn são submetidos ao mesmo processo de análise, bastando para isso, inverter a polaridade das baterias de polarização e lembrar que:

Cristal N - os portadores majoritários são os elétrons e os minoritários as lacunas;

Cristal P - os portadores majoritários são as lacunas e os minoritários os elétrons.

A figura abaixo mostra um circuito com transistor npn.

A junção base-emissor está polarizada diretamente e por isto, representa uma região de baixa impedância. A voltagem de polarização base-emissor é baixa (da ordem de 0,55V a 0,7V para transistores de silício), polarização esta, caracterizada pela bateria VEE enquanto que, a junção base-coletor está reversamente polarizada em função da bateria VCC. Na prática, VCC assume valores maiores do que VEE.

Como já foi dito anteriormente, a corrente IC é o resultado dos portadores majoritários provenientes do emissor. A corrente de coletor divide-se basicamente em duas componentes: a corrente proveniente do emissor e a corrente proveniente do junção reversamente polarizada coletor-base, denominada ICBO, sendo que esta última assume valores extremamente baixos que em muitos casos podem ser desprezados.

A quantidade de corrente que chega ao coletor proveniente do emissor depende do tipo de material e dopagem do emissor. Essa quantidade de corrente varia de acordo com o tipo de transistor.

A constante de proporcionalidade dessa corrente é definida como (alfa)1, de forma que, a corrente de coletor é representada por IE. Os valores típicos de variam de 0,9 a 0,99. Isto significa que parte da corrente do emissor não chega ao coletor2.

Exemplo: Qual é a corrente de coletor de um transistor com  = 0,95, sabendo-se que a corrente de emissor é 2mA?

Solução:

IC = IE

IC = 0,95. 2mA = 1,9mA

Caso ICBO não seja desprezada, a corrente de coletor é dada por:

IC = IE + ICBO ( I )

Como dito anteriormente, parte da corrente do emissor que fica retida na base forma a corrente de base, assim:

IE = IC + IB ( II )

Substituindo ( I ) em ( II ), podemos calcular a corrente de base:

IB = (1 - ) . IE - ICBO = . IC -

A relação / (1 - ) é representada por (beta)3.

Podemos então estabelecer as relações:

=

=

Exemplos:

a) Um transistor possui um fator  = 0,92. Qual é o fator ?

Solução:

= = = 11,5

b) Um transistor possui um fator  = 100. Qual é o fator ?

Solução:

= = = 0,99

Podemos então estabelecer uma relação entre e .4

Temos então:

= e =

 assume valores muito mais elevados em relação à  (o valor típico de  é da ordem de 30 a 300). Então, quanto maior for o valor de , mais o valor de  tende a aproximar-se de 1.

Assim, levando-se em conta que IC = IE, para um valor de   100, podemos considerar para fins práticos:

IC = IE

CONFIGURAÇÕES BÁSICAS:

Os transistores podem ser ligados em três configurações básicas: base comum (BC), emissor comum (EC) e coletor comum (CC). Essas denominações relacionam-se aos pontos onde o sinal é injetado e retirado, ou ainda, qual dos terminais do transistor é referência para a entrada e saída de sinal.

  • BASE COMUM:

No circuito a seguir, observa-se que o sinal é injetado entre emissor e base e retirado entre coletor e base.

CARACTERÍSTICAS:

  • Ganho de corrente (Gi): < 1

  • Ganho de tensão (GV): elevado

  • Resistência de entrada (RIN): baixa

  • Resistência de saída (ROUT): alta

Desta forma, pode-se dizer que a base é o terminal comum para a entrada e saída do sinal. O capacitor "C" ligado da base a terra assegura que a base seja efetivamente aterrada para sinais alternados.

  • EMISSOR COMUM:

No circuito emissor comum, o sinal é aplicado entre base e emissor e retirado entre coletor e emissor. O capacitor no emissor "CE" assegura o aterramento do emissor para sinais alternados. CA é um capacitor de acoplamento de sinal.

CARACTERÍSTICAS:

  • Ganho de corrente (Gi): elevado

  • Ganho de tensão (GV) elevado

  • Resistência de entrada (RIN) média

  • Resistência de saída (ROUT) alta

  • COLETOR COMUM:

A figura a seguir mostra um circuito na configuração coletor comum.

A configuração coletor comum também é conhecida como seguidor de emissor. Essa denominação é dada devido à tendência de todo o sinal aplicado na entrada estar praticamente presente na saída (circuito de emissor).

O sinal de entrada é aplicado entre base e coletor e retirado do circuito de emissor. O capacitor "CC" ligado do coletor a terra assegura que o coletor esteja aterrado para sinais alternados. CA é um capacitor de acoplamento de sinal.

CARACTERÍSTICAS:

  • Ganho de corrente (Gi): elevado

  • Ganho de tensão (GV):  1

  • Resistência de entrada (RIN): muito elevada

  • Resistência de saída (ROUT): muito baixa

As configurações emissor comum, base comum e coletor comum, são também denominadas emissor a terra, base a terra e coletor a terra. Essas configurações também podem ser apresentadas conforme ilustram as figuras abaixo:

REPRESENTAÇÃO DE TENSÕES E CORRENTES:

Para representar tensões e correntes em um circuito com transistores, utiliza-se usualmente o método convencional (do + para o -), através de setas.

Para as tensões, a ponta da seta aponta sempre para o potencial mais positivo e as correntes são representadas com setas em sentido contrário as das tensões.

Podemos por exemplo representar uma tensão entre coletor e emissor por VCE quando o transistor for npn. Isto significa que o coletor é mais positivo do que o emissor. Em outras palavras, a primeira letra após o V (neste caso o coletor) é mais positiva do que a segunda letra (neste caso o emissor).

Para um transistor pnp a tensão entre coletor e emissor é representada por VEC, indicando que o emissor é mais positivo do que o coletor.

A figura abaixo ilustra dois transistores com polaridades opostas, utilizando essa representação.

Na figura abaixo temos outro exemplo utilizando essas representações; observe que as setas que indicam o sentido da corrente são opostas aquelas que indicam as tensões.

Para as tensões VRC (tensão no resistor de coletor) e VRE ( tensão no resistor de emissor), a ponta da seta indica que a tensão na parte superior desses resistores é mais positiva do que na parte inferior.

POLARIZAÇÃO COM UMA ÚNICA BATERIA:

Temos visto até agora a polarização de transistores utilizando duas baterias, sendo uma para polarização da junção base-emissor e outra para a junção base-coletor.

Na maioria das vezes, uma única bateria pode polarizar um circuito transistorizado, visto que o mesmo comporta-se como um circuito fechado.

As tensões nas junções do transistor e nos componentes externos, como resistores, capacitores, indutores, etc. podem ser calculadas utilizando-se as leis de Kirchhoff para tensão (LKT).

Da mesma forma, as correntes podem ser calculadas aplicando-se LKC.

A figura a seguir mostra um transistor com polarização por divisor de tensão na base, cuja teoria será vista no capítulo referente aos circuitos de polarização.

Observe atentamente as indicações das tensões e das correntes em função do sentido das setas.

Aplicando-se LKT, podemos obter várias equações:

  1. VCC - VRC - VCE - VRE = 0

  2. VCE -VBE - VCB = 0

  3. VCC - VRB1 - VRB2 = 0

  4. VRB1 - VRC - VCB = 0

  5. VRB2 - VBE - VRE = 0

  6. VCC - VRC - VCB - VBE - VRE = 0

Aplicando-se LKC no ponto X, temos:

  1. IB = I1 - I2

  2. I1 = I2 + IB

CURVAS CARACTERÍSTICAS:

As curvas características definem a região de operação de um transistor, tais como: região de saturação, região de corte, região ativa e região de ruptura.

De acordo com as necessidades do projeto essas regiões de operação devem ser escolhidas. Quando necessitamos de um transistor como chave eletrônica, normalmente as regiões de corte e saturação são selecionadas; no caso de transistor operando como amplificador via de regra, escolhe-se a região ativa.

A região de ruptura indica a máxima tensão que o transistor pode suportar sem riscos de danos.

A seguir são mostradas algumas curvas características, apenas como fim didático, não sendo obedecido a rigor nenhum tipo de escala.

CURVA CARACTERÍSTICA PARA MONTAGEM EM EMISSOR COMUM:

A região de corte é mostrada na área sombreada, onde IB = 0.

A curva de potência máxima representa a máxima potência que pode ser dissipada pelo transistor.

CURVA CARACTERÍSTICA PARA MONTAGEM EM BASE COMUM:

Observa-se na curva característica para montagem em base comum, que a corrente de emissor controla a corrente de coletor, enquanto que na curva característica para montagem em emissor comum, a corrente de base controla a corrente de coletor.

CURVA CARACTERÍSTICA PARA MONTAGEM EM COLETOR COMUM:

Observe a calibração dos eixos de tensão e corrente para a montagem em coletor comum, onde a corrente de base controla a corrente de emissor.

A figura abaixo mostra a curva característica para emissor comum semelhante à vista anteriormente, no entanto, observe a área sombreada, a qual é denominada de área útil, na qual o transistor opera com total segurança.

A região útil é delimitada pela curva de potência máxima5 e conforme dito anteriormente, o transistor trabalha com segurança, não ultrapassando a máxima potência permitida.

CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO:

Apresentaremos a seguir alguns circuitos de polarização muito utilizados e suas principais características:

1 - POLARIZAÇÃO POR CORRENTE DE BASE CONSTANTE

Também denominado de polarização fixa, é um circuito muito utilizado quando deseja-se que o transistor opere como chaveamento eletrônico, com dois pontos bem definidos: corte e saturação.

Por esse motivo esse tipo de polarização não é utilizado em circuitos lineares, pois é muito instável, pois uma variação da temperatura provoca uma variação de .

Para este tipo de polarização: IC = IB

Para evitar o disparo térmico, adota-se geralmente: VCE = 0,5VCC

2 - POLARIZAÇÃO POR CORRENTE DE EMISSOR CONSTANTE

Diferente do caso anterior, procura-se compensar as variações de  através do resistor de emissor.

Assim, quando  aumentar, a corrente de coletor aumenta, aumentando também a tensão no emissor, fazendo com que haja uma diminuição da tensão de polarização VBE, reduzindo a corrente de base. Isto resulta numa corrente de coletor menor compensando parcialmente o aumento original de .

Aplicando LKT:

VCC = VRC + VCE + REIE

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