Fundamentos de Electrnica Transstores de Juno Bipolar Junction

Fundamentos de Electrónica Transístores de Junção Bipolar Junction Transistor - BJT

Roteiro n n n Equações aos terminais Modelo de pequenos sinais Montagens amplificadores de um único canal Princípios Físicos – junção npn e pnp Equação de Ebers-Moll de funcionamento na região de saturação Modelo de alta-frequência Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 2

Transístor n-p-n W n p n Emissor Colector Base Junção base-emissor n n n Junção base-colector Semelhante a dois díodos costas com costas, mas, Largura de base, W, é muito pequena! Três zonas tipicas de operação q Zona de corte – Ambas as junções ao corte q Zona de activa q Zona de saturação – Junção B-E ON Junção B-C OFF – Ambas as junções ON Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 3

Funcionamento na Zona Activa A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector Emissor n p n Ie Ic I Junção Polarizada directamente n n Colector Base Ib Junção Polarizada inversamente Na zona activa temos a junção BE polarizada inversamente e a junção BC polarizada inversamente Os electrões responsáveis pela condução de corrente na junção base emissor atravessam a pequena base e são recolhidos no colector! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 4

Funcionamento na Zona Activa A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector Emissor n p n Colector Ie Ic I Junção Polarizada directamente n Base Ib Junção Polarizada inversamente Porque é que os electrões não são bloqueados pela junção base colector? q q Porque como a base é muito fina a velocidade dos electroes é suficiente para que os electrões chegem ao lado n antes de colidirem com outras particulas (nucleos ou lacunas). Os que ficam pelo caminho vão formar parte da corrente na base. Assim temos que a corrente no colector será aproximadamente igual à corrente no emissor (Ic Ie) e que a corrente a base será muito pequena (Ib<<Ic) De facto temos que Ic é proporcional a Ib, Ic = Ib, com >>1 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 5

Colector Equações para as correntes (zona activa) Ic n Base Temos ainda: p Ib n Ic Ib Ie Emissor Ie Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 6

Símbolo n O símbolo do transístor npn é baseado no seu modelo equivalente colector C Ic base B Ib Ie E emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 7

Modelos equivalentes (npn) C C B B E E C C B B E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 E 8

Transístor pnp W p n Emissor p Colector Base emissor n base Ib Ie n O emissor injecta lacunas na base que passam directamente para o colector. As equações são semelhantes às do transístor npn mas mudam os sentidos das correntes e troca-se Vbe por Veb. Ic colector Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 9

Modelos equivalentes (pnp) E E B C E E B B C C Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 10

Funcionamento na Zona Activa npn Ib pnp Ic Ie Ie Ib JBE ON Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Ic JBE ON 11

Zona de Saturação A junção Base-Colector começa a conduzir para Vbc=0. 5 V donde resulta que na entrada na zona de saturação podemos considerar Vce=0. 2 n Modelo para o transístor na zona de saturação C Modelo simplificado C 0. 5 V B C 0. 2 V B 0. 7 V E E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 E 12

Curvas Características dos Transístores Zona Activa Ic (A) n Ib=60 u. A Ib=20 u. A Vce (V) Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 13

Zona Activa Inversa n Zona Activa Inversa q q q O transístor é um dispositivo aproximadamente simétrico, de tal forma que se trocarmos o emissor com o colector obtemos um novo dispositivo, que continua a funcionar como um transístor. No entanto o colector é em geral menos dopado que o emissor, donde resulta que o novo ( R) é bastante mais pequeno. Trocar o emissor com o colector corresponde utilizar um valor de VCE negativo. JBC ON Ie Ib VCE VBE Ic Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 14

Curvas Características Zona activa Zona saturação Zona activa inversa Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 15

Variação de beta com a corrente grandes variações de corrente provocam variações do beta Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 16

O Efeito da Temperatura n Vbe varia cerca de – 2 m. V/ºC para valores semelhantes de Ic n Beta do transístor tipicamente aumenta com a temperatura Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 17

Efeito de Early Mesmo na zona activa existe uma pequena dependência de Ic com Vce. Tal deve-se a uma diminuição da largura efectiva da região de base, devido ao alargamento da região de depleção da junção CE. Efeito de Early. Tensão de Early VA Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 18

Modelo de pequenos sinais Modelo T C B C + B E E Nota: Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 19

Incorporando o efeito de Early Modelo aumentado C B + - ro modela o efeito de Early. Pode ser considerado como a resistência de saída da fonte de corrente. E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 20

Polarização n n Polarização: escolha do ponto de funcionamento em repouso com uma fonte de tensão. Como regra de polegar é usual distribuir a tensão igualmente por Rc, Vce e Re: Equivalente de Thévenin Para que IE seja insensível a variações de temperatura e de devemos ter Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 21

Polarização n A polarização com duas fontes de tensão permite reduzir o consumo, etc… n Polarização com uma fonte de corrente permite aumentar a impedância vista da base, etc… Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 22

Configurações de Amplificação de um Único Andar Montagem emissor comum Montagem colector comum ou seguidor de emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Montagem base comum 23

Montagem Emissor Comum Modelo de pequenos sinais ib Rs Vi Ri + vpi io gm vpi Rpi ro Rc Ro - Usa-se para ter Ganho de tensão Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 24

Emissor Comum Degenerado Modelo de pequenos sinais Vo Io . ie Ii Ro Rs Vs Rc re Ri + v Re Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 25

Montagem Colector Comum ou Seguidor de Emissor Modelo de pequenos sinais Nota: calcularam-se os ganho de corrente e tensão com carga Rs V 1 Ri re Vo Ro ro Usa-se para ter Ganho Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Io Rl de corrente 26

Montagem Base Comum Vo i. E Rs Rc Ro re Vi Ri Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 27

O Inversor BJT Vcc VOH Zona Corte Rc Vo Zona Activa Rs Q 1 Vi Zona Saturação VOL 0. 2 V VIL 0. 7 V VIH Exemplo: Rb=10 k , Rc=1 k e =50 e Vcc=5 V Margens de Ruído: Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Não é utilizada em parte devido ás dificuldades em retirar o transistor da saturação 28

Perfil da Densidade de Portadores Emissor (n) Vbe Vcb Base (p) I n n n W Largura efectiva de base Colector (n) O Campo eléctrico remove os electrões livres Linear já que W << Ld A densidade de electrões livres decresce na base. No colector os electrões livres são removidos pelo campo eléctrico. Como a base tem um comprimento bastante inferior ao comprimento de difusão este decréscimo é linear. A base (tipo-p) é bastante menos dopada que o emissor (tipo-n) logo a concentração de lacunas é bastante inferior à concentração de electrões livres. Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 29

Corrente maioritária Emissor (n) Vbe Vcb Colector (n) Base (p) A tensão Vbe aumenta com a concentração de electrões livres no emissor I n O emissor (tipo-n) é muito mais dopado que a base (tipo -p) donde resulta que a corrente é maioritariamente formada por electrões livres, que se deslocam directamente do emissor para o colector! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 30

Corrente maioritária Emissor (n) Vbe Vcb Colector (n) Base (p) I n O Transístor na zona activa comporta-se como um díodo polarizado directamente com uma corrente de saturação dada por “Is”, mas em que corrente flúi num terceiro terminal denominado de colector! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 31

Corrente na base n A corrente da base tem duas componentes: q q i. B 1 = Corrente minoritária devido às lacunas que se deslocam da base para o emissor. Equação equivalente à corrente de lacunas de uma junção p-n. i. B 2 = Corrente de reposição dos electrões que se recombinam com as lacunas ao atravessarem a base. Carga armazenada na base Tempo médio que um electrão demora até se recombinar com uma lacuna Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 32

Ganho de corrente do Transístor Combinando as equações anteriores Temos ainda a relação de Einstein: n n Deve-se notar que: q Beta aumenta com a diminuição da largura da base q Beta aumenta com a concentração de impurezas no emissor e diminui com a concentração de impurezas na base. Beta é normalmente considerado aproximadamente constante para um dado transístor apesar de variar com vários factores Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 33

Substrato n Os transístores nos circuitos integrados modernos são em geral construídos através da adição de impurezas a uma bolacha de semicondutor. Transístor planar E n B C Transístor vertical Contactos metálicos n n p E B C Corte vertical Transístor n p Substrato de Silício Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Bolacha de Silício 34

Modelo de Ebers Moll Colector Ic Donde se deduz que: Base Ib Modelo global de funcionamento do transístor Emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Ie 35

Zona de Saturação Utilizando o modelo de Ebers Moll podemos chegar a seguinte fórmula para a região de saturação. 250 Vce. Sat (m. V) n 200 150 100 50 10 20 forced 30 40 Exemplo: =50 forced Vcesat(m. V) 50 48 45 40 30 10 1 0 235 211 191 166 147 123 76 60 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 20 36

Concentração de Portadores Minoritários na Base de um Transístor Saturado Zona Activa Zona Saturação Zona Activa inversa Tempos elevados para a saida da região de saturação Grande quantidade de carga Armasenda na base! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 37

Modelo de Transporte Colector Ic Base Ib Uma forma alternatica do modelo de Ebers-Moll Emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Ie 38

Beta para pequenos sinais n depende de Ic Valor redusido Beta corresponde a secante à curva, e hef à tangente à curva! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 39

Efeitos capacitivos no BJT n Capacidade de difusão ou de carga na base (zona activa) n Capacidade da junção base emissor n Capacidade da junção base colector Junção ao corte Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 Junção em condução 40

Modelo de Alta frequência B C rx r C E Variação de hfe com a frequência C ro Este modelo só é válido até cerca de 0. 2 ft Circuito para determinação do beta hfe 0 ft f Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 41

Modelo do SPICE Corrente de Saturação IS Resistencia ohmica da base (Pol nula) RB Ganho de Corrente directo máximo BF Capacidade da junção BE (Pol nula) CJE Coeficiente de emissão directo NF Coeficiente de gradiente da junção BE MJE Tensão de Early directa VAF Tensão intrinseca da junção BE VJE Ganho de corrente inverso máximo BR Capacidade da junção BC (Pol nula) CJC Coeficiente de emissão inverso NR Coeficiente de gradiente da junção BE MJC Tensão intrinseca da junção BC VJC Tensão de Early inversa VAR Tempo de transito directo ideal TF Capacidade da junção CS (Pol nula) CJS Tempo de transito inverso ideal TR Coeficiente de gradiente da junção CS MJS Resistência ohmica do emissor RE Tensão intrinseca da junção CS VJS Resistência ohmica do colector RC B C rx r C C i. C ro CCS S E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003 42