Transistores Bipolares Eletrônica Analógica

Transistores Bipolares

Introdução

O transistor é um componente eletrônico formado por materiais semicondutores. Foi  desenvolvido no laboratório Bell Telephone por John Bardeen, Walter Houser Brattain e William  Bradford Schockley

O transistor começou a se popularizar na década de 1950 e ocasionou a revolução da eletrônica  na década de 1960. O impacto do transistor na eletrônica foi enorme. O transistor contribuiu para todas  as invenções relacionadas, como os circuitos integrados, componentes optoeletrônicos e  microprocessadores. As principais aplicações do transistor são: amplificar sinais e chavear circuitos.

Constituição de um transistor bipolar

Um transistor bipolar é formado pela combinação dos semicondutores tipo N + tipo P + tipo N  conhecido como transistor NPN ou a combinação dos semicondutores tipo P + tipo N + tipo P  conhecido como transistor PNP. A figura 1 mostra o símbolo dos dois transistores.

[pic 1]

Os transistores também podem ser representados através de junções. As figuras 2.1 e 2.2  mostram os dois tipos de transistores a partir das junções base-emissor e base-coletor. A região do  emissor é a mais densamente dopada; sua função é de emitir portadores. A região da base é levemente  dopada e muito fina; ela permite que a maioria dos portadores injetados no emissor passe para a região  do coletor. O nível de dopagem da região do coletor é intermediário, entre a dopagem densa da região  do emissor e a dopagem fraca da região da base. O coletor é assim chamado porque ele coleta os  portadores que vêm da base. O coletor é a região mais extensa das três; ele deve dissipar mais calor que  a base ou o emissor.

[pic 2]

O transistor PNP é o complemento do transistor NPN; os portadores majoritários do emissor são  lacunas em vez de elétrons livres.

Transistor não polarizado

A difusão dos elétrons livres através da junção num transistor NPN produz duas camadas de  depleção como mostra a figura 3. Para cada uma dessas camadas de depleção, o potencial da barreira é  de aproximadamente igual a 0,7 V na temperatura de 25ºC para um transistor de silício (0,3 V para o  transistor de germânio). Os transistores de silício são mais amplamente usados do que os transistores  de germânio. Os transistores de silício fornecem especificações de tensão mais alta, maior  especificação de corrente e menor sensibilidade à temperatura.

Pelo fato das três regiões terem diferentes níveis de dopagem, as camadas de depleção não  possuem a mesma largura. Quanto mais densamente dopada uma região, maior concentração de íons  próxima da junção. Isto significa que a camada de depleção só penetra ligeiramente na região do  emissor (densamente dopada), porém profundamente na base (levemente dopada). A outra camada de  depleção estende-se bem para dentro da base e penetra na região do coletor numa quantidade menor.

[pic 3]

Polarização do transistor

Polarizar um transistor significa aplicar uma fonte de alimentação em seus terminais para que  possamos analisar o que acontece, e desta forma, compreender o seu funcionamento.  Dependendo da polarização o transistor pode trabalhar em três regiões distintas: região de  saturação, região de corte e região ativa. Ele trabalhando na região de saturação funciona como uma  chave fechada. Já não região de corte o transistor funciona como uma chave aberta. Em ambas as  situações descritas o transistor é usado em circuitos de chaveamento usados em eletrônica digital onde  a álgebra de Boole é usada.

O transistor bipolar ao ser polarizado para atuar na região ativa ele funcionará como uma fonte  de corrente controlada. Esta polarização permite que se amplifique um sinal que for injetado na entrada  do transistor. Esta é uma das principais aplicações do transistor na eletrônica analógica.

Na figura 4 a bateria da esquerda polariza diretamente a junção base-emissor, e a bateria da  direita polariza diretamente a junção base-coletor. Neste caso há uma quantidade de portadores fluindo  do emissor para o coletor através da base. Como as duas junções estão diretamente polarizadas, as  correntes do emissor e do coletor são grandes. Esta situação permite dizer que o transistor está  funcionando como uma chave fechada já que a corrente está fluindo em grande quantidade do emissor  para o coletor.

[pic 4]

A figura 5 mostra uma outra forma de se polarizar o transistor. Agora a junção base-emissor e a  junção base-coletor estão polarizadas reversamente. Para essa condição, o fluxo de portadores do  emissor para o coletor é muito pequeno, consistindo apenas de dois tipos de portadores minoritários: os

produzidos termicamente e por fuga superficial. O componente produzido termicamente depende da  temperatura; ele tem seu valor aproximadamente dobrado a cada 10ºC de acréscimo na temperatura  ambiente. O componente de fuga superficial, por outro lado, aumenta com a tensão. Essas correntes  reversas geralmente são desprezíveis. Neste caso dizemos que o transistor está funcionando como uma  chave aberta já que não há praticamente corrente fluindo do emissor para o coletor.

[pic 5]

Ao se polarizar diretamente a junção base-emissor e reversamente a junção base-coletor algo  inesperado acontece. Isso é mostrado na figura 6. Esperamos uma grande corrente do emissor porque a  junção base-emissor está polariza diretamente; mas não esperamos uma corrente grande no coletor  porque a junção base-coletor está polarizado reversamente. Apesar disso, a corrente no coletor é quase  tão grande quanto a corrente no emissor.

[pic 6]

A polarização do transistor na região ativa possibilita que um fluxo estável de elétrons que saem  do terminal negativo da fonte e entrem na região do emissor. A polarização direta VBE força esses  elétrons do emissor a entrarem na região da base. A base fina e levemente dopada dá a quase todos  esses elétrons uma vida média suficiente para se difundirem através da camada de depleção do coletor.  O campo elétrico da camada de depleção empurra então um fluxo estável de elétrons para dentro da  região do coletor. Estes elétrons saem do coletor, entram no terminal externo do coletor e fluem para o  terminal positivo da fonte de tensão. Na maioria dos transistores, mais de 95% dos elétrons injetados  pelo emissor fluem para o coletor; menos de 5% se recombinam com as lacunas da base e fluem para  fora através do terminal externo da base.