aula19 - transistores bipolares - construcao e funcionamento

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAO, CINCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS CURRAIS NOVOS CURSO TCNICO INTEGRADO EM INFORMTICA

Eletricidade e Eletrnica

Aula 19: Transistores Bipolares Construo e Funcionamento

Francisco Jnior [email protected] http://www.cefetrn.br/~fcsjunior

Sumrio Introduo Construo dos transistores bipolares Encapsulamento do transistor Identificao dos terminais Operao do transistor


Introduo (1) Existe uma infinidade de sinais de interesse em eletrnica que so muitos fracos, como por exemplo, as correntes eltricas que circulam no corpo humano, o sinal de sada de uma cabea de gravao, etc., e para transform-los em sinais teis torna-se necessrio amplific-los. Antes da dcada de 50, a vlvula era o elemento principal nesta tarefa. Em 1951, foi inventado o transistor. Ele foi desenvolvido a partir da tecnologia utilizada no diodo de juno, como uma alternativa em relao as vlvulas, para realizar as funes de amplificao, deteco, oscilao, comutao, etc. A partir da o desenvolvimento da eletrnica foi imenso.Eletricidade e Eletrnica

Introduo (2) Dentre todos os transistores, o bipolar muito comum, com semelhanas ao diodo estudado anteriormente, com a diferena de o transistor ser formado por duas junes p-n, enquanto o diodo por apenas uma juno. As vantagens do transistor em relao vlvula eram bvias: era menor, mais leve, no necessitava de aquecimento nem apresentava perda por aquecimento; era mais robusto e eficiente, pois absorvia menos potncia; estava pronto para o uso sem a necessidade de um perodo de aquecimento e, ainda, funcionava com tenses de operao mais baixas. Todos os amplificadores (dispositivos que aumentam a tenso, corrente ou nvel de potncia) possuem no mnimo trs terminais, e um deles controla o fluxo entre os outros dois.Eletricidade e Eletrnica

Constituio dos transistores bipolares (1) O transistor um dispositivo semicondutor que consiste em duas camadas de material do tipo n e uma camada do tipo p ou em duas camadas do tipo p e uma camada do tipo n. O primeiro denominado transistor npn e o segundo transistor pnp. Na figura a seguir so mostrados de maneira esquemtica os dois tipos:


Constituio dos transistores bipolares (2) O termo bipolar vem do fato de que as lacunas e eltrons participam do processo de injeo no material. Cada uma das trs camadas que compe o transistor bipolar recebe o nome relativo a sua funo. A camada do centro recebe o nome de base, pois comum aos outros dois cristais, levemente dopada e muito fina. A camada da extremidade recebe o nome de emissor por emitir portadores de carga, fortemente dopada. Finalmente, a ltimo camada tem o nome de coletor por receber os portadores de carga, tem uma dopagem mdia.


Constituio dos transistores bipolares (3) Apesar de na figura anterior no distinguir os cristais coletor e emissor, eles diferem entre si no tamanho e na dopagem. As camadas externas possuem larguras muito maiores do que a camada interna de material do tipo p ou n. A dopagem da camada interna tambm consideravelmente menor do que a das camadas externas. Esse nvel de dopagem menor reduz a condutividade (aumenta a resistncia) desse material, limitando o nmero de portadores livres.Eletricidade e Eletrnica

Constituio dos transistores bipolares (4) O transistor tem duas junes: uma entre o emissor (E) e a base (B), e outra entre a base e o coletor (C). Por causa disso, um transistor se assemelha a dois diodos. O diodo da esquerda comumente designado diodo emissor - base (ou s emissor) e o da direita de coletor base (ou s coletor). As anlises do transistor npn do transisor pnp so similares, bastando levar em conta que os portadores majoritrios de um so os portadores minoritrios do outro. Na prtica, isto significa tenses e correntes invertidas se mudamos de transistor.


Encapsulamento do transistor Os transistores de construo mais robusta so dispositivos de alta potncia, enquanto os que possuem um pequeno encapsulamento metlico na forma de chapu ou estrutura de plstico so dispositivos de baixa ou mdia potncia.


Identificao dos terminais (1) Sempre que possvel, o encapsulamento do transistor dever ter alguma marca para indicar os terminais que esto conectados ao emissor, coletor ou base do transistor. Alguns dos mtodos mais utilizados esto indicados na figura abaixo.


Identificao dos terminais (2) Quatro transistores de silcio individuais podem ser acondicionados em um compartimento duplo de plstico com 14 pinos, como mostra a figura abaixo. A depresso na superfcie superior determina os pinos de nmero 1 e 14.


Operao do transistor (1) A operao bsica do transistor agora ser descrita utilizando-se o transistor pnp da figura abaixo.

A operao do transistor npn exatamente a mesma se as funes das lacunas e eltrons so trocadas.Eletricidade e Eletrnica

Operao do transistor (2) Na figura abaixo, o transistor pnp foi redesenhado sem a polarizao base-coletor.

Observe as semelhanas entre essa situao e a do diodo polarizado diretamente.Eletricidade e Eletrnica

Operao do transistor (3) A regio de depleo teve a largura reduzida devido tenso aplicada, resultando em um fluxo denso de portadores majoritrios do material do tipo p para o material do tipo n. Na figura a seguir, removemos a polarizao base-emissor do transistor pnp.


Operao do transistor (4) Note as semelhanas entre essa situao e aquela do diodo polarizado reversamente. Nessa situao, o fluxo de portadores majoritrios zero, o que resulta em apenas um fluxo de portadores minoritrios.Uma juno p-n de um transistor polarizada reversamente, enquanto a outra polarizada diretamente.


Operao do transistor (5) Na figura a seguir, os dois potenciais de polarizao foram aplicados a um transistor pnp, com o fluxo de portadores majoritrios e minoritrios resultante indicado.


Operao do transistor (6) Observe na figura anterior a largura das regies de depleo indicando claramente qual juno est polarizada diretamente e qual est polarizada reversamente. Como indica a figura, muitos portadores majoritrios vo se difundir no material do tipo n atravs da juno p-n polarizada diretamente. A questo , ento, se esses portadores contribuiro diretamente para a corrente de base IB ou se passaro diretamente para o material do tipo p. Como o material do tipo n interno muito fino e tem baixa condutividade, um nmero muito baixo de tais portadores seguir esse caminho de alta resistncia para o terminal da base.Eletricidade e Eletrnica

Operao do transistor (7) O valor da corrente de base da ordem de microampres, enquanto a corrente de coletor e emissor de miliampres. A princpio, espera-se uma corrente de fuga no diodo coletor e uma alta corrente no diodo emissor, no entanto isto no acontece. A maior parte desses portadores majoritrios entrar atravs da juno polarizada reversamente no material do tipo p conectado ao terminal do coletor, como indica a figura. O motivo da relativa facilidade com que portadores majoritrios podem atravessar a juno polarizada reversamente pode ser facilmente compreendida.Eletricidade e Eletrnica

Operao do transistor (8) Basta considerarmos que para o diodo polarizado reversamente os portadores majoritrios sero como portadores minoritrios no material do tipo n. A juno base-coletor, polarizada reversamente, dificulta a passagem dos portadores majoritrios da base para o coletor, mas no dos portadores minoritrios. Os portadores minoritrios atravessam sem dificuldade a camada de depleo e penetram na regio de coletor. L eles so atrados pelo terminal com carga contrria da fonte VCC.


Operao do transistor (9) Em suma, com a polarizao direta do diodo emissor, injetado uma alta corrente em direo a base. Na base uma pequena parcela da corrente, por recombinao, retorna pelo terminal B e o restante da corrente flui para o coletor e da para o terminal da fonte VCC. Aplicando-se a lei de Kirchhoff para correntes ao transistor da figura anterior como se fosse um n simples, obtmse:

I E = IC + I Be descobre-se que a corrente de emissor a soma das correntes de coletor e de base.


Operao do transistor (10) No entanto, corrente de coletor, possui dois componentes: os portadores majoritrios e os minoritrios, indicados na figura anterior. O componente de corrente de portadores minoritrios chamado de corrente de fuga, cujo smbolo ICBO (corrente IC com terminal emissor aberto). A corrente de coletor , portanto, totalmente determinada pela equao:

I C = I Cmajoritrio + I COminoritrio Para os transistores de uso geral IC medido em miliampres enquanto ICO medido em microampres ou nanoampres.


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