Transistores - Principio de Operação.
Autor: ELETRÔNICA DO PAPAI NOEL | Publicado: 2015-11-21T23:06:00-02:00


Missão do
Sistema SENAI



&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
Contribuir para o fortalecimento da indústria e o desenvolvimento

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; pleno e
sustentável do País, promovendo a educação para o trabalho&nbsp; e&nbsp; a 

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
cidadania, a assistência técnica e tecnológica, a produção e
disseminação
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; de informação e a adequação, geração e
difusão de tecnologia.




Para que os portadores se movimentem no interior da estrutura de um
transistor é necessário aplicar tensões entre os seus terminais. O movimento
dos elétrons livres e lacunas está intimamente relacionado à polaridade da
tensão aplicada a cada par de terminais do transistor, como descrito a seguir.

OPERAÇÃO DO TRANSISTOR NA REGIÃO ATIVA



A estrutura física do
transistor propicia a formação de duas junções pn, conforme ilustrado na Fig.1:



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Uma junção pn entre o cristal
da base e o cristal do emissor, chamada de junção
base-emissor.


Uma junção pn entre o cristal da base e o cristal
do coletor, chamada de junção
base-coletor.







A formação das duas junções
no transistor faz que ocorra um processo de difusão dos portadores.&nbsp; Como no caso do diodo, esse processo de
difusão dá origem a uma barreira de potencial em cada junção.



No transistor, portanto,
existem duas barreiras de potencial, mostradas na Fig.2, que se formam a partir da junção dos cristais
semicondutores:



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->A barreira de potencial na junção base-emissor.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->A barreira de potencial na junção base-coletor.









As características normais de polarização dos
terminais do transistor são sumarizadas a seguir.

JUNÇÃO BASE-EMISSOR 





Na condição normal de
funcionamento, denominada de funcionamento
na&nbsp; região ativa, a junção
base-emissor fica polarizada diretamente, conforme ilustrado na Fig.3.





A condução através da junção
base-emissor é provocada pela aplicação de uma tensão externa entre a base e o
emissor, com polarização direta, ou seja, com o material tipo p tendo polarização positiva com relação
ao material tipo n.

JUNÇÃO BASE-COLETOR





Para operação na região
ativa, a junção base-coletor fica polarizada inversamente, ou seja, com o
material tipo p polarizado
negativamente em relação ao material tipo n,
conforme mostrado na Fig.4.







POLARIZAÇÃO SIMULTÂNEA DAS DUAS JUNÇÕES





Para que o transistor
funcione adequadamente, as duas junções devem ser polarizadas simultaneamente.
Isso é feito aplicando-se tensões externas nas duas junções do componente. A Fig.5 mostra a forma de polarização de
um transistor para operação na região ativa.







Uma forma alternativa de configuração, que permite obter a operação do
transistor na região ativa é mostrada na Fig.6,
para o caso de um transistor npn.









Uma inspeção do diagrama de
circuito mostrado na Fig.6 permite
extrair as seguintes observações:



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->A bateria B1 &nbsp;polariza diretamente a junção base-emissor.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->A bateria B2 &nbsp;submete o coletor a um potencial mais elevado
do que aquele aplicado à base.



Dessa forma, a junção
base-coletor está submetida a uma polarização inversa, o que juntamente com a
polarização direta aplicada à junção base-emissor, possibilita operação na
região ativa do transistor.&nbsp; Conclui-se
portanto que os dois esquemas mostrados na Fig.7
produzem polarizações equivalentes nas junções do transistor.







Em resumo, para operação de um transistor na região
ativa, tem-se:



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Polarização direta da junção base-emissor.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Polarização inversa da junção base-coletor.



A alimentação simultânea das
duas junções, através de baterias externas, dá origem a três tensões entre os
terminais do transistor:



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Tensão base-emissor, representada pelo parâmetro VBE.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Tensão coletor-base, representada pelo parâmetro VCB.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Tensão coletor-emissor, representada pelo parâmetro VCE.





&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Esses
parâmetros estão representados na Fig.8 para
os transistores pnp e npn. Como pode ser aí observado, as
tensões entre os terminais são definidas matematicamente pelas relações













Com base na Fig.8, ou
alternativamente, somando as Eqs.(1)
e (2) e comparando com a Eq.(3), tem-se que as tensões entre
terminais satisfazem a condição



Vce=Vcb+Vbe &nbsp; &nbsp; &nbsp;(4)





Na Fig.8 as
baterias externas estão polarizadas de forma a permitir a&nbsp; operação do diodo na região ativa. Nessas
condições, as tensões definidas nas Eqs.(1)
a (3) devem assumir os sinais
indicados na Tabela 1.



Tabela 1 Sinais das tensões entre terminais para os transistores pnp e npn.

 

  
Tensão

  
Transistor pnp

  
Transistor npn

 

  
VBE

  
negativa

  
positiva

 

  
VCB

  
negativa

  
positiva

 

  
VCE

  
negativa

  
positiva

 




PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO TRANSISTOR BIPOLAR





A aplicação de tensões
externas ao transistor provoca o movimento de elétrons livres e lacunas no
interior da estrutura cristalina, dando origem às correntes nos terminais do
transistor. Utiliza-se como representação de circuito para essas correntes
aquela indicada na Fig.9.



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 coordsize="21600,21600" o:spt="75" o:preferrelative="t" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe"
 filled="f" stroked="f">
 
 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 
 
 
<v:shape id="_x0000_i1025" type="#_x0000_t75" style='width:201pt;
 height:157.5pt' fillcolor="window">
 <v:imagedata src="file:///C:\Users\NOTE-T~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image001.wmz"
  o:title=""/>
<![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->







As correntes definidas na Fig.9, recebem as seguintes denominações:



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->IB&nbsp; = corrente de base.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->IC&nbsp; = corrente de coletor.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->IE&nbsp; = corrente de emissor.





O sentido das correntes representadas
na Fig.9 segue uma convenção que
estabelece:



De acordo com essa convenção as correntes nos terminais do transistor
satisfazem a relação



Ib+Ic+Ie = 0 &nbsp; &nbsp; (9)



Seguindo a convenção adotada, para transistores npn e pnp operando na região ativa, os sinais das três correntes
definidas anteriormente são aqueles indicados na Tabela 2, conforme ilustrado na Fig.10.





Tabela 2 Sinais das
correntes nos terminais dos transistores pnp
e npn para operação na região ativa.



 

  
Corrente

  
Transistor pnp

  
Transistor npn

 

  
IB

  
negativa

  
positiva

 

  
IC

  
negativa

  
positiva

 

  
IE

  
positiva

  
negativa

 








O princípio básico que
explica a origem das correntes no transistor é o mesmo para estruturas npn e
pnp, e a análise do movimento de portadores de carga pode ser realizada
tomando-se como exemplo qualquer das duas estruturas. Isso é feito a seguir
para a análise das correntes em um transistor pnp posto em operação na região ativa.





CORRENTE DE BASE



A corrente de base é
produzida pela aplicação de uma tensão que polariza diretamente a junção
base-emissor e cujo efeito é semelhante àquele observado em um diodo
semicondutor polarizado diretamente. 



&nbsp;Como ilustrado na Fig.11, a aplicação de uma tensão positiva



Veb=Ve-Vb &nbsp; &nbsp; &nbsp;(11)



com um valor superior ao potencial de barreira da junção base-emissor,
facilita a injeção de lacunas do emissor para a base e de elétrons livres no
sentido inverso. Como no caso de uma junção semicondutora comum, o potencial de
barreira é tipicamente 0,6 a 0,7 V para o silício e 0,2 a 0,3V para o germânio.





Transistores são construídos
com o emissor tendo um grau de dopagem muito superior àquele da base.&nbsp; Dessa forma o fluxo de portadores ocorre
predominantemente por parte das lacunas injetadas na base.





&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; A pequena
quantidade de elétrons disponíveis na base se recombina com parte das lacunas
aí injetadas, dando origem à corrente de base. Com o pequeno grau de dopagem da
base, poucas recombinações ocorrem, resultando em um pequeno valor para a corrente
de base, normalmente na faixa de microampères a miliampères.

Assim, a maior parte das
lacunas provenientes do emissor não se recombina com os elétrons da base,
podendo portanto atingir a junção base-coletor.



CORRENTE DE COLETOR





Devido à pequena espessura
da região da base e também ao seu pequeno grau de dopagem, o excesso de lacunas
que não se recombinaram com os elétrons naquela região atingem a junção
base-coletor, conforme ilustrado na Fig.12.
Como a junção base-coletor está inversamente polarizada, essas lacunas são
aceleradas pela queda de potencial existente naquela junção, dando origem à
corrente de coletor.







A corrente de coletor tem um
valor muito superior à corrente de base porque a grande maioria das lacunas
provenientes do emissor não se recombinam com os elétrons da base, sendo
portanto injetadas diretamente no coletor.





Tipicamente, um máximo de 5%
do total de lacunas provenientes do emissor produz a corrente de base, com o
restante dando origem à corrente de coletor. Essa grande diferença entre as
correntes de base e de coletor está ilustrada na Fig.13.







CORRENTE DE EMISSOR





A partir da discussão das
seções anteriores, e de acordo com o princípio da conservação da carga
estabelecido pela Eq.(5), a corrente
de emissor pode ser obtida da relação



Ie= (-Ib)+(-Ic) &nbsp; &nbsp; &nbsp; (6)





De acordo com a convenção adotada para definir as correntes nos
terminais do transistor, os sinais a elas atribuídos indicados na Tabela 2, são&nbsp;compatíveis com os sentidos dos fluxos de corrente,
mostrados na Fig.14.&nbsp; Conseqüentemente, para o transistor pnp operando na região ativa:



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->IB &lt; 0 Þ (-IB) &gt; 0, indicando que a
corrente na base flui do terminal B
para o circuito.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->IC &lt; 0 Þ (-IC) &gt; 0, indicando que a
corrente no coletor flui do terminal C
para o circuito.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->IE &gt; 0 indica que a
corrente no emissor flui do circuito para o terminal E.







CONTROLE DE CORRENTE NO TRANSISTOR





A principal característica
do transistor reside no fato de a corrente de base poder controlar
eficientemente a corrente de coletor. A corrente de base pode ser modificada
pelo ajuste externo da tensão na junção base-emissor, conforme ilustrado na Fig.15.



Dessa forma, qualquer
variação na tensão da fonte aparece diretamente como uma variação na altura da
barreira de potencial da junção base-emissor, fazendo que mais ou menos
portadores provenientes do emissor sejam injetados na base. Como as correntes
de base e de coletor variam em proporção direta com o número de portadores
provenientes do emissor, conclui-se que variações na&nbsp;tensão aplicada à junção base-emissor,
ou equivalentemente na corrente de base, causam variações na corrente de
coletor.







Nota-se que apesar de a
corrente de base ser de pequeno valor, ela atua essencialmente de forma a
liberar a passagem de mais ou menos corrente do emissor para o coletor. Dessa
forma a corrente de base atua como corrente de controle, e a corrente de
coletor, como corrente controlada.&nbsp;&nbsp; 





GANHO DE CORRENTE DO TRANSISTOR



Como discutido na seção
anterior, através de um transistor é possível utilizar um pequeno valor de
corrente IB para controlar
a circulação de uma corrente IC,
de valor bem mais elevado.



Uma medida da relação entre
a corrente controlada IC e
a corrente de controle IB
pode ser obtida do parâmetro




bDC = Ic/Ib &nbsp; &nbsp; &nbsp; (7)&nbsp;



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  id="_x0000_t75" coordsize="21600,21600" o:spt="75" o:preferrelative="t"
  path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" filled="f" stroked="f">
  
  
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
  
  
  
 <v:shape id="_x0000_s1026" type="#_x0000_t75" style='position:absolute;
  left:0;text-align:left;margin-left:0;margin-top:0;width:10pt;height:19pt;
  z-index:251659776;mso-position-horizontal:absolute;
  mso-position-horizontal-relative:text;mso-position-vertical:absolute;
  mso-position-vertical-relative:text' o:allowincell="f">
  <v:imagedata src="file:///C:\Users\NOTE-T~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image001.wmz"
   o:title=""/>
  
 <![if gte mso 9]><o:OLEObject Type="Embed" ProgID="Equation.3"
  ShapeID="_x0000_s1026" DrawAspect="Content" ObjectID="_1509651875">
 
 <![endif]><![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if gte vml 1]><![endif]-->
definido como o ganho de corrente contínua entre base e
coletor.&nbsp;



Como na região ativa as
correntes IC e IB
têm o mesmo sinal, nesse regime de operação o parâmetro bDC é um número positivo. 





Cada transistor é fabricado
com um valor bem definido para o parâmetro bDC, que depende das
características materiais e estruturais do componente e do regime de operação
do transistor. Da Eq.(7) tem-se que



Ic=bDCIb &nbsp; &nbsp; &nbsp;(8)



A Eq.(8)
mostra que a corrente de coletor é diretamente proporcional à corrente de base,
e que IC pode ser
calculado a partir do conhecimento dos valores de bDC e IB. 





É importante salientar que o
fato de o transistor permitir a obtenção de um ganho de corrente entre base e
coletor não implica em criação de correntes no interior da estrutura. Todas as correntes que circulam em um
transistor são provenientes das fontes de alimentação, com a corrente de base
atuando no sentido de liberar a passagem de mais ou menos corrente do emissor
para o coletor.&nbsp;&nbsp;