Física dos Transistores Bipolares de Junção BJT - Modelos e Operação

1 Cap 4 Física dos Transistores Bipolares de Junção BJT 41 Considerações Gerais 42 Estrutura dos Transistores Bipolares 43 Operação dos Transistores Bipolares no Modo Ativo 44 Modelos de Transistores Bipolares 45 Operação dos Transistores Bipolares no Modo Saturação CH4 Physics of Bipolar Transistors 2 Transistor Bipolar de Junção BJT CH4 Physics of Bipolar Transistors 3 Fonte de Corrente Dependente da Tensão O circuito pode atuar como um Amplificador de Tensão mediante à conexão de um Resistor RL em paralelo com a Fonte de Corrente Se o Ganho de Tensão definido como a razão entre as amplitudes dos sinais na saída e entrada é maior que 1 a magnitude do sinal na saída é maior que na entrada AV V out V in KR L Amplificador de Tensão Ideal rin CH4 Physics of Bipolar Transistors 4 Fonte de Corrente Dependente da Tensão V1 com Gerador Ideal do Sinal de Entrada e Resistência de Entrada rin Neste caso em que o Gerador do Sinal de Entrada é ideal rs 0 o Ganho de Tensão permanece inalterado mesmo que a Resistência de Entrada do Amplificador seja finita não ideal Não idealidade no Amplificador AV V out V in KR L CH4 Physics of Bipolar Transistors 5 Fonte de Corrente Dependente da Tensão V1 com Gerador Não Ideal do Sinal de Entrada e Resistência de Entrada Finita rin O aparecimento conjunto de rs e rin implica atenuação do Ganho de Tensão quando comparado aos casos anteriores Note que V1 pode ser determinado via Divisor de Tensão rs Não idealidade no Gerador do Sinal de Entrada AV V out V in KR L rin r inrs CH4 Physics of Bipolar Transistors 6 Fonte de Corrente Dependente da Exponencial Tensão Uma Fonte de Corrente Dependente da Exponencial da Tensão com três terminais pode ser utilizada para modelar um Transistor Bipolar Ideal CH4 Physics of Bipolar Transistors 7 Estrutura e Simbologia dos Transistores Bipolares de Junção BJT O Transistor Bipolar pode ser pensado como um sanduíche de três regiões de SiGe com dopagens específicas As duas regiões exteriores são dopadas com a mesma impureza ao passo que a região interna é dopada com impureza oposta CH4 Physics of Bipolar Transistors 8 Injeção de Portadores Sob polarização reversa a junção PN cria um campo elétrico elevado que atrai portadores minoritários e injetados na região P para a região N A capacidade da Junção PN polarizada inversamente coletar elétrons injetados do exterior de modo eficiente demonstra essencialmente a operação de um Transistor Bipolar CH4 Physics of Bipolar Transistors 9 Região Ativa A Região Ativa é considerada uma região de operação linear e atende às seguintes restrições A junção Base Emissor deve estar Diretamente Polarizada isto é VBE 0 no caso do transistor NPN A junção Base Coletor deve estar Reversamente Polarizada isto é VBC 0 no caso do transistor NPN CH4 Physics of Bipolar Transistors 10 Representação das Junções A dopagem do Emissor n é maior que a da Base p Assim a corrente de elétrons do emissor para a base é maior que a corrente de lacunas da base para o emissor O fluxo de corrente no Coletor é devido à injeção de portadores na base que alcançam a camada de depleção da junção BaseColetor CH4 Physics of Bipolar Transistors 11 Transporte de Portadores na Base A concentração de e é elevada em xx1 devido à injeção de elétrons em função da Polarização Direta da Junção Base Emissor A concentração de e cai para zero em xx2 pois os elétrons após alcançarem esta região são atraídos para o coletor em função do elevado Campo Elétrico da Camada de Depleção da Junção BaseColetor Reversamente Polarizada CH4 Physics of Bipolar Transistors 12 Transporte de Portadores na Base A Corrente de Deriva é pequena devido ao baixo Campo Elétrico na Camada de Depleção da Junção BaseEmissor A Corrente de Difusão é elevada e portanto a principal componente devido à diferença de concentração de elétrons ao longo da Base CH4 Physics of Bipolar Transistors 13 Corrente de Coletor Aplicando a lei da difusão podemos determinar o fluxo de carga que atravessa a base na direção do colector A equação acima mostra que o transistor é efetivamente um elemento controlado pela tensão sendo portanto um bom candidato a amplificador Is é chamada Corrente de Saturação Reversa e é diretamente proporcional à área da secção reta no Emissor AE I C AE qDn ni 2 N EW B expV BE V T 1 I CI S expV BE V T I S A EqDnni 2 N E W B CH4 Physics of Bipolar Transistors 14 Transistores em Paralelo Quando dois transistores são colocados em paralelo e experimentam o mesmo potencial nos três terminais eles podem ser pensados como um único transistor com o dobro da área do emissor CH4 Physics of Bipolar Transistors 15 Configuração Simples de um Transistor Embora um transistor seja um conversor Tensão Corrente isto é uma Fonte de Corrente Dependente da Tensão a tensão de saída pode ser obtida no Coletor VC pela inserção de um resistor de carga RL entre o coletor e a fonte Vcc permitindo que a corrente controlada no coletor passe por RL Vcc VBE 1KΩ IS 5 x 10 16 A IC 168 m A CH4 Physics of Bipolar Transistors 16 Fonte de Corrente Constante Em condições ideais a corrente de coletor Ic não depende da tensão de Polarização entre Coletor e Emissor VCE Esta propriedade permite ao transistor comportarse como uma Fonte de Corrente Constante quando a tensão de Polarização da Junção BaseEmissor é fixa VBE Cte CH4 Physics of Bipolar Transistors 17 Corrente de Base A Corrente de Base é proporcional à Corrente de Coletor e à Corrente de Emissor e além disso apresenta duas componentes A injeção de lacunas da Base para o Emissor A recombinação entre lacunas e elétrons provenientes do emissor ICβI B IEβ 1IB CH4 Physics of Bipolar Transistors 18 Corrente de Emissor Aplicando a lei de Kirchoff para o transistor podemos facilmente encontrar a corrente de emissor O parâmetro β do BJT é chamado Ganho de Corrente CC I E IC I B I E IC11 β I E I Bβ1 βIC I B CH4 Physics of Bipolar Transistors 19 Resumo das Correntes I CI S exp V BE V T I B 1 β I S exp V BE V T I Eβ1 β I S exp V BE V T β β1 α O parâmetro α pode ser entendido como a fração da corrente do emissor que chega ao coletor CH4 Physics of Bipolar Transistors 20 BJT Modelo de Grandes Sinais Um diodo é inserido entre a Base e o Emissor representando a Junção PN entre esses terminais Uma Fonte de Corrente Dependente da Exponencial da Tensão de Polarização da Junção BaseEmissor é inserida entre o Coletor e Emissor CH4 Physics of Bipolar Transistors 21 Exemplo Máximo RL RLΩ V X V CCRL I C Consideremos o circuito mostrado na figura abaixo onde Isq1 5 x 1 0 17 A VBE 800 mV e β 100 a Determine as correntes e tensões nos terminais do transistor para verificar se o dispositivo opera no modo ativo e b Determine o valor máximo de RL que permite a operação de Q1 no modo ativo CH4 Physics of Bipolar Transistors 22 Exemplo Máximo RL Supondo IC constante quando RL aumenta Vx cai e eventualmente polariza a junção ColetorBase diretamente forçando o transistor a sair da região ativa Portanto existe uma tolerância máxima para a resistência de coletor RLΩ V X V CCRL I C CH4 Physics of Bipolar Transistors 23 Curvas Características do BJT A curva em a representa o comportamento exponencial de Ic em função de VBE A família de curvas em b sugere que Ic na região ativa não depende de VCE conforme pode ser notado na expressão Ic Is exp VBE VT VBE Região Ativa CH4 Physics of Bipolar Transistors 24 Exemplo Curvas Características I x V 169 025 169 025 CH4 Physics of Bipolar Transistors 25 Transcondutância gm A Transcondutância gm representa a medida da capacidade do transistor em converter a Tensão na malha de entrada VBE em Corrente no Coletor IC A transcondutância gm é um dos parâmetros mais importantes em projetos de amplificadores Seu valor depende do Ponto de Operação PO onde PO é o par ordenado VCE IC gmd dV BEIS expV BE V T gm1 V T I S exp V BE V T gm IC V T CH4 Physics of Bipolar Transistors 26 Visualização da Transcondutância O parâmetro gm pode ser visualizado como a inclinação de IC x VBE Note na Curva IC x VBE que grandes valores de IC implicam inclinações mais elevadas e portanto valores mais altos para o parâmetro gm CH4 Physics of Bipolar Transistors 27 Transcondutância e Área Para um mesmo VBE quando n transistores estão em paralelo sob as mesmas condições de polarização a Área do Emissor AE é multiplicada por n e IS e portanto IC e gm aumentam de igual fator Is n Is Ic n Ic gm n gm CH4 Physics of Bipolar Transistors 28 Transcondutância x Corrente de Coletor A figura acima mostra que para uma mesma variação de VBE a variação da corrente de coletor é maior em torno IC2 que em torno de IC1 Isso ocorre porque gm depende do Ponto de Operação e como IC2 IC1 concluímos que gm2 gm1 CH4 Physics of Bipolar Transistors 29 Modelo de Pequenos Sinais O Modelo para pequenos sinais é obtido supondo pequena variação de tensão em dois terminais enquanto o terceiro matem a tensão fixa Analisase então a variação da corrente nos três terminais e representamse essas variações com fontes controladas eou resistores CH4 Physics of Bipolar Transistors 30 Modelo de Pequenos Sinais variação de VBE O Modelo de Pequenos Sinais utilizado é o Modelo π Híbrido A variação de tensão na junção base emissor é representada por vBE vπ A variação de corrente no coletor é representada por ic gm vπ CH4 Physics of Bipolar Transistors 31 Modelo de Pequenos Sinais variação de VCE Idealmente VCE não tem efeito sobre a corrente de colector e assim não irá contribuir para o modelo de pequenos sinais Pode ser mostrado que o VCB também não tem efeito sobre o referido modelo CH4 Physics of Bipolar Transistors 32 Modelo de Pequenos Sinais Exemplo I Suponha Is 3 x 1016 A β100 VBE 08 V e VT 26 mV Ic Is exp VBEVT 693 mA Os parâmetros do modelo de pequenos sinais são calculados a partir do Ponto de Operação análise CC e são utilizados para calcular a variação na corrente de colector devido a uma mudança em vBE gm IC V T 1 375Ω rπβ gm 375Ω CH4 Physics of Bipolar Transistors 33 Modelo de Pequenos Sinais Exemplo II Um resistor RC é colocado entre a fonte de alimentação VCC e o colector proporcionando um ponto para obtenção de uma tensão de saída vout Se Vc Vcc RcIc 18 100 693 m 1 108 V VB 08 V então Q1 encontrase na Região Ativa Se v1 vBE corresponde a uma amplitude de 1 mVp a amplitude de vout pode ser obtida utilizandose o Modelo de Pequenos Sinais como se segue vout gmvBERc vBE v1 1 mV Rc 100 ohms e gm 1375 1ohm assim vout 267 mVp O Ganho de Tensão é igual a 267 VV indicando defasagem de 180º entre os sinais de entrada e saída CH4 Physics of Bipolar Transistors 34 Análise de Pequenos Sinais ou Análise CA Uma vez que a Fonte de Tensão de Polarização VCC não varia com o tempo ela é considerada nula VCC 0 na análise de pequenos sinais isto é curto circuito O mesmo ocorre com a Fonte de Corrente de polarização ICC que também será considerada nula ICC 0 no referido modelo neste caso circuito aberto CC CA ICC VCC Curto ckt Ckt aberto CH4 Physics of Bipolar Transistors 35 Efeito Early A alegação de que a corrente do coletor não depende VCE não é precisa Com o aumento da VCE a região de depleção entre a base e o coletor aumenta e assim a largura efetiva da base diminui o que leva a um aumento da corrente de coletor CH4 Physics of Bipolar Transistors 36 Curvas Características x Efeito Early Com o efeito Early a corrente de coletor tornase maior e além disso sofre uma pequena variação em função de VCE CH4 Physics of Bipolar Transistors 37 Efeito Early Representação Ao considerar o Efeito Early a expressão da Corrente do Coletor é modificada pelo fator de primeira ordem 1 VXVA VA é chamada Tensão de Early CH4 Physics of Bipolar Transistors 38 Efeito Early e o Modelo de Grandes Sinais O Efeito Early pode ser contabilizado no Modelo de Grandes Sinais simplesmente pela mudança na corrente de coletor pelo fator de correção 1 VCEVA CH4 Physics of Bipolar Transistors 39 Efeito Early e o Modelo de Pequenos Sinais ro ΔV CE ΔI C V A I S exp V BE V T V A I C O Efeito Early pode ser contabilizado no Modelo de Pequenos Sinais simplesmente pela presença da resistência de Early ro Se o Transistor é ideal o efeito Early não será considerado Neste caso ro e VA serão considerados infinitos No entanto se considerarmos o Efeito Early devemos considerar os efeitos finitos de ro e VA CH4 Physics of Bipolar Transistors 40 Resumo CH4 Physics of Bipolar Transistors 41 Transistor Bipolar na Saturação Quando a tensão coletor reduz a valores abaixo da tensão de base e polariza diretamente a junção BaseColetor a corrente de base aumenta e a de coletor diminui da mesma quantidade provocando redução no Beta que denota o fator de ganho de corrente CH4 Physics of Bipolar Transistors 42 Modelo de Grandes Sinais para a Região de Saturação VBC Ic Note que na região de saturação a corrente de coletor Ic é menor devido à componente de corrente que passa pelo diodo DBC CH4 Physics of Bipolar Transistors 43 I x V Curvas Características A Saturação corresponde à região cujos valores de VCE encontramse abaixo de V1 em que V1 representa o respectivo valor de VBE Além disso a velocidade do BJT ou a resposta às variações do sinal de entrada sofre considerável redução na região de saturação CH4 Physics of Bipolar Transistors 44 Exemplo VCC aceitável Um nível leve de Saturação chamado de Saturação Fraca pode ser aceitável A fim de manter o BJT na região de Saturação Fraca a tensão de coletor não deve ficar abaixo da tensão de base além de 400 mV Assim 0 VBC 400 mV isto é VBC ficará diretamente polarizado mas limitado a 400 mV Assim uma relação linear pode ser obtida entre VCC e RC como vista acima V CCI C RCV BE400 mV CH4 Physics of Bipolar Transistors 45 Saturação Forte Na Região de Saturação Forte o transistor perde a sua total capacidade de controlar a corrente de coletor pela tensão VBE e além disso VCE tornase constante e relativamente pequeno VCE sat 02 V Em certos casos coletor e emissor podem ser considerados em curto ckt sob Saturação Forte CH4 Physics of Bipolar Transistors 46 Transistor PNP Um transistor PNP apresenta polaridades do emissor coletor e base invertidas quando comparadas ao NPN Todos os princípios que se aplicam ao NPN são igualmente aplicáveis ao PNP com a exceção de que o emissor tem um potencial mais elevado que a base e a base um potencial superior ao coletor CH4 Physics of Bipolar Transistors 47 NPN x PNP CH4 Physics of Bipolar Transistors 48 PNP Equações I CI S exp V EB V T I BI S β expV EB V T I Eβ1 β I S exp V EB V T I CI S exp V EB V T 1 V EC V A Early Effect CH4 Physics of Bipolar Transistors 49 Modelo de Grandes Sinais PNP CH4 Physics of Bipolar Transistors 50 PNP Polarização Na região Ativa o emissor deve estar em um potencial mais elevado que a base e o coletor em um potencial menor que na base CH4 Physics of Bipolar Transistors 51 Análise de Pequenos Sinais CH4 Physics of Bipolar Transistors 52 Modelo de Pequenos Sinais PNP O Modelo de Pequenos Sinais para transistor PNP é idêntico ao do NPN CH4 Physics of Bipolar Transistors 53 Modelo de Pequenos Sinais Exemplo I CH4 Physics of Bipolar Transistors 54 Modelo de Pequenos Sinais Exemplo II Aqui o Modelo de Pequenos Sinais é idêntico ao do circuito analisado anteriormente CH4 Physics of Bipolar Transistors 55 Modelo de Pequenos Sinais Exemplo III Uma vez que na análise de Pequenos Sinais o Vcc constante é considerado terra CA o modelo final será idêntico aos dois anteriores