Transistor Bipolar de Junção TBJ - Curvas Caracteristicas e Polarizacao

Aula 6 TBJs Professor Rodrigo Carvalho Tutu MSc Eng Professor Assistente Área de Eletrônica Embarcada Curso de Engenharia Elétrica Eletrônica Analógica I Campus Universitário SENAI CIMATEC Tópicos 29032022 2 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ 2 Curvas Características do TBJ 3 Polarização do TBJ 4 Referências Tópicos 29032022 Eletrônica Analógica I Prof Cleber Almeida MSc Eng 3 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ 2 Curvas Características do TBJ 3 Polarização do TBJ 4 Referências 4 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Válvulas Eletrônicas Termoiônicas 5 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Válvulas Eletrônicas Termoiônicas 6 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ O termo TRANSISTOR resulta da aglutinação dos termos ingleses TRANsfer transcondutância varSISTOR resistência de transferência Graças a esta função a corrente elétrica que passa entre coletor e emissor do transistor varia dentro de determinados parâmetros préestabelecidos pelo projetista do circuito eletrônico Esta variação é feita através da variação de corrente em um dos terminais chamados base o que consequentemente ocasiona o processo de amplificação de sinal O termo bipolar referese ao fato de ambos os portadores elétrons e lacunas participarem no processo do fluxo de corrente DefiniçãoDescrição 7 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Votação realizada no Laboratório da BELL para escolher o nome do novo componente em 1948 Breve Histórico 8 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ 1947 Invenção do Primeiro Transistor descoberto pelos físicos americanos John Bardeen à esquerda Walter Brattain à direita e William Shockley sentado na bancada de Brattain dos Laboratórios Bell ATT em 23 de dezembro de 1947 Breve Histórico 9 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Buscavam criar um dispositivo semicondutor similar ao triodo originado da válvula termiônica Breve Histórico 10 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ O Primeiro Transistor Bipolar de Junção Morgan Sparks exdiretor do Sandia National Laboratories inventor do primeiro transistor prático Morreu em 03052008 aos 91 anos 11 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Breve Histórico 1898 Descoberta do elétron 18951901 Telégrafo sem fio 1901 Primeira Transmissão de Rádio 1906 Invenção do Amplificador para Rádio 1912 Invenção do Amplificador para Telefone 1930 Patente Concedida FET 1940 Descoberta da Junção PN 1946 ENIAC Primeiro Computador Digital Electronic and Numerical IntegrAtor Computer 18 mil válvulas 1947 Invenção do Transistor de Ponta Dezembro 1948 Invenção do Transistor de Junção Janeiro 1956 Prêmio Nobel Transistor Schockley 1958 Invenção do Circuito Integrado CI 12 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Breve Histórico 1958 Invenção do Circuito Integrado inventado por Jack Kilby Componente Discreto Circuito Integrado 13 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Eletrônica Analógica I Prof Cleber Almeida MSc Eng Breve Histórico 1959 Aprimoramento do CI 1967 Primeira Calculadora Manual 1968 Surge a Intel Corp Gordon Moore and Robert Noyce EUA 1970 Rede de Computadores Internet e primeira memória DRAM Intel 1971 Invenção do Microprocessador 4004 com tecnologia PMOS 1972 Foi lançado o primeiro processador de 8 bits 8008 com tecnologia PMOS 3500 transistores 1975 Surge a Microsoft Corp 1981 Primeiro PC IBM 1989 Invenção da World Wide Web WWW 1991 Surge a idéia do Linux Linus 19971999 Microprocessador Pentium 75 milhões de transistores 2008 Microprocessador Intel Itanium 2 bilhões de transistores 14 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ O impacto do transistor na eletrônica foi grande já que a sua capacidade de amplificar sinais elétricos permitiu que em pouco tempo ele muito menor e consumindo muito menos energia substituísse as válvulas na maioria das aplicações eletrônicas Impacto Válvulas vs Transistores 15 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Impacto Válvulas Termoiônicas vs Transistores 16 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ O transistor contribuiu para todas as invenções relacionadas como os circuitos integrados componentes optoeletrônicos e microprocessadores utilizados na criação de inovações na área de eletrônica de consumo industrial e militar Impacto Válvulas vs Transistores 17 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Estrutura para Fabricação em Semicondutor e Tipos O transistor é 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 outro transistor pnp 18 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Estrutura para Fabricação em Semicondutor e Tipos O transistor é 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 outro transistor pnp 19 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Estrutura para Fabricação em Semicondutor e Tipos Cada região interna do transistor bipolar tem características construtivas distintas podendose destacar 1 Emissor E Região com maior nível de dopagem do transistor É do emissor de onde partem os portadores de carga 2 Base B Região mais estreita e com menor nível de dopagem Comparada com as outras regiões a base se parece como uma película muito fina 3 Coletor C Região de maior área e com dopagem intermediária Possui maior área pois é nessa região onde há maior dissipação de energia por efeito Joule Para transistores de maior potência a região de coletor está ligada a cápsula do transistor 20 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Estrutura para Fabricação em Semicondutor e Tipos Cada região interna do transistor bipolar tem características construtivas distintas podendose destacar 1 Emissor E É fortemente dopado e tem a função de emitir ou injetar seus elétrons livres na base 2 Base B Como é levemente dopada também tem um propósito bem definido passar os elétrons injetados pelo emissor para o coletor 3 Coletor C É chamado assim pois coleta ou reúne a maioria dos elétrons da base 21 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Estrutura para Fabricação em Semicondutor e Tipos Estrutura Física Real 1 Emissor e Coletor Regiões fortemente dopadas com o mesmo tipo de impureza 2 Base Região fracamente dopada com impureza contrária ao emissor e coletor e mais estreita 22 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Estrutura para Fabricação em Semicondutor e Tipos Bipolar Unipolar FET MOSFET IGBT 23 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Fabricação e Encapsulamentos 24 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Fabricação e Encapsulamentos 25 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Princípio de Funcionamento e Modos de Operação A figura abaixo mostra as regiões do transistor antes da difusão ocorrer Visualize os elétrons livres em cada região N cruzando a junção e recombinando com as lacunas 26 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Princípio de Funcionamento e Modos de Operação O resultado são duas camadas de depleção Para cada uma dessas camadas a barreira de potencial é aproximadamente 07 V em 25 C para o silício 27 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Princípio de Funcionamento e Modos de Operação O comportamento básico dos transistores em circuitos eletrônicos é fazer o controle da passagem de corrente entre o emissor e o coletor através da base Para isto é necessário polarizar corretamente as junções do transistor MODO DE OPERAÇÃO JUNÇÃO BASEEMISSOR JUNÇÃO COLETORBASE ATIVO DIRETAMENTE REVERSAMENTE CORTE REVERSAMENTE REVERSAMENTE SATURAÇÃO DIRETAMENTE DIRETAMENTE Amplificador Chave 28 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Princípio de Funcionamento e Modos de Operação α 099 e β 100 POLARIZAÇÃO JBE JCB Pode assumir CORTE Rev Pol VBE0 Rev Pol VCB0 IEIBIC0 SATURAÇÃO Dir Pol VBE0 Dir Pol VCB0 VBE07V VCB05V VCE02V ATIVA Dir Pol VBE0 Rev Pol VCB0 VBE07V ICαIE e ICβIB 29 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Princípio de Funcionamento e Modos de Operação Polarização Direta Tensões ou correntes aplicadas em sentido direto Ativa correntes e tensões diferentes de zero Corte corrente de coletor zero Saturação tensão coletoremissor próxima a zero 30 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Princípio de Funcionamento e Modos de Operação Modo Ativo Transistor Bipolar TBJ tipo NPN 31 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Princípio de Funcionamento e Modos de Operação Modo Ativo Transistor Bipolar TBJ tipo NPN N P N 07v 05v 32 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Princípio de Funcionamento e Modos de Operação Modo Ativo Transistor Bipolar TBJ tipo NPN N P N 07v 05v 5qe 1qe 4qe 33 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Eletrônica Analógica I Prof Cleber Almeida MSc Eng Princípio de Funcionamento e Modos de Operação Modo Ativo Transistor Bipolar TBJ tipo NPN N P N 5qe 1qe 4qe 07v 05v 34 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Eletrônica Analógica I Prof Cleber Almeida MSc Eng Princípio de Funcionamento e Modos de Operação Modo Ativo Transistor Bipolar TBJ tipo NPN 35 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Eletrônic Analógica I Prof Cleber Almeida MSc Eng Princípio de Funcionamento e Modos de Operação Modo Ativo Transistor Bipolar TBJ tipo NPN E C B I I I BE T v V C I IS e 2 E n i S A I A q D n N W 36 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Princípio de Funcionamento e Modos de Operação Modo Ativo Transistor Bipolar TBJ tipo NPN BE T v 2 p V A B S n D n b D N W 1 W I I e D N L 2 D τ BE T v V S B I e I β C E C B C C I 1 I I I I I 1 β β C E I β β1I C E I α I C B I I β 37 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Princípio de Funcionamento e Modos de Operação Modo Ativo Transistor Bipolar TBJ tipo NPN Resumo Ao se polarizar diretamente a região baseemissor forçase as lacunas livres do emissor a entrar na base A base fina e levemente dopada dá a quase todas essas lacunas tempo suficiente para se difundir no coletor Estas lacunas fluem através do coletor e no terminal negativo da fonte de tensão VCC 38 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Simbologia e Equações Tensões e correntes nos Transistores Bipolares NPN e PNP 39 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Simbologia e Equações Parâmetros α e β No modo CC os valores de IC e IE estão relacionados por um parâmetro chamado α dado por No modo CC os valores de IC e IB estão relacionados por um parâmetro chamado β hFE dado por I i I E C I ii I B C 40 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Simbologia e Equações Parâmetros α e β Da equação das malhas de corrente temos Da equação das malhas de corrente temos B C E I I I B C I I B E B B E I I I I I 1 41 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Eletrônica Analógica I Prof Cleber Almeida MSc Eng Simbologia e Equações B C C E B C E I I I I I I I 1 1 42 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Eletrônica Analógica I Prof Cleber Almeida MSc Eng Simbologia e Equações Parâmetros α e β Relação entre ambos 1 1 Para transistores modernos 50 β 400 43 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Medindo o Ganho de Corrente DC hFE ou β é uma abreviação em Inglês para Hybrid Parameter Forward Current Gain Common Emitter e significa Parâmetro Híbrido do Ganho de Corrente Direta em Emissor Comum Tratase de uma medida do ganho CC de um transistor bipolar de junção Portanto em um multímetro indica um modo em que o medidor pode medir provavelmente grosseiramente o hFE de um transistor Simbologia e Equações 44 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Simbologia e Equações Medindo o Ganho de Corrente DC hFE ou β é uma abreviação em Inglês para Hybrid Parameter Forward Current Gain Common Emitter e significa Parâmetro Híbrido do Ganho de Corrente Direta em Emissor Comum Tratase de uma medida do ganho CC de um transistor bipolar de junção Portanto em um multímetro indica um modo em que o medidor pode medir provavelmente grosseiramente o hFE de um transistor 45 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Datasheet Folha de Dados do Transistor TBJ Quando se for consultar a folha de dados datasheet para qualquer tipo de transistor devese começar com as classificações máximas uma vez que estes são os limites das correntes do transistor tensões e outras quantidades Breakdown Ratings Na folha de dados mostrada no próximo slide as seguintes classificações máximas de um transistor 2N3904 são dadas VCEO 40 V VCBO 60 V VEBO 6 V 46 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Datasheet Folha de Dados do Transistor TBJ 47 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Datasheet Folha de Dados do Transistor TBJ 48 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Datasheet Folha de Dados do Transistor TBJ 49 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Exercício 01 O transistor do circuito a seguir tem β 100 e vBE 07V Projete o circuito de modo que uma corrente de 2 mA circule pelo coletor e a tensão no coletor seja de 5V Exercícios de Aplicação e Fixação 50 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Exercício 01 O transistor do circuito a seguir tem β 100 e vBE 07V Projete o circuito de modo que uma corrente de 2 mA circule pelo coletor e a tensão no coletor seja de 5V Exercícios de Aplicação e Fixação Resposta Para obter uma valor de VC de 5V a queda de tensão em RC deve ser de 15510V Agora como iC2mA o valor de RC deve ser Como a base está em 0V então para β100 α099 então assim encontramos RE k RC 5 10 2 10 3 07 VE V mA I I C E 2 02 0 99 2 k I V R E E E 7 07 02 10 2 15 70 15 3 51 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Exercício 02 No circuito mostrado na figura a seguir a tensão no emissor foi medida como 07V Se β50 calcule IE IB IC e VC Exercícios de Aplicação e Fixação 52 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Exercício 02 No circuito mostrado na figura a seguir a tensão no emissor foi medida como 07V Se β50 calcule IE IB IC e VC Exercícios de Aplicação e Fixação Resposta Para obter o valor de IE 1 VE REIE 10 2 IE 093mA 50 098 1 51 091 C E I I mA 182 C B I I A 10 545 C C C V R I V 53 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Exercício 03 Sabendo que para o circuito da figura abaixo a tensão de base é 1 V e a tensão de emissor é 17 V calcule a Os parâmetros β e α b Tensão de coletor Exercícios de Aplicação e Fixação 54 1 Transistor Bipolar de Junção TBJ Exercício 03 Sabendo que para o circuito da figura abaixo a tensão de base é 1 V e a tensão de emissor é 17 V calcule a Os parâmetros β e α b Tensão de coletor Exercícios de Aplicação e Fixação Resposta Para obter o valor de IE 1 VE 10 REIE 2 IE 166mA 165 165 10 C B I mA I A 166 10 165 C E B I I I mA A mA 1 10 100 100 B B V I A K K 10 175 C C C V R I V 165 0994 1 166 Obrigado 29032022 55 29032022 56 Esclarecimento de Dúvidas e Discussões