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Este documento aborda o funcionamento do transistor bipolar, enfatizando a importância da polarização das junções base-emissor e base-coletor na operação ativa do dispositivo. Além disso, ele discute a relação entre as correntes de base, coletor e emissor, e o controle da corrente no transistor. O texto é essencial para quem deseja entender os fundamentos do transistor bipolar e sua aplicação em circuitos elétricos.
Tipologia: Notas de estudo
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Transistor bipolar: princípio de operação
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:
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.
Fig.1 Junções base-coletor e base-emissor em um transistor.
Série de Eletrônica
A formação das duas junções no transistor faz que ocorra um processo de difusão dos portadores. 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:
A barreira de potencial na junção base-emissor. A barreira de potencial na junção base-coletor.
Fig.2 Barreiras de potencial formadas nas duas junções de um transistor.
As características normais de polarização dos terminais do transistor são sumarizadas a seguir.
Série de Eletrônica
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.
Fig.4 Polarização da junção base-coletor de transistores pnp e npn para operação na região ativa.
Transistor bipolar: princípio de operação
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.
Fig.5 Polarizações dos transistores npn e pnp para operação na região ativa.
Transistor bipolar: princípio de operação
Em resumo, para operação de um transistor na região ativa, tem-se:
Polarização direta da junção base-emissor. 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:
Tensão base-emissor, representada pelo parâmetro VBE. Tensão coletor-base, representada pelo parâmetro VCB. Tensão coletor-emissor, representada pelo parâmetro VCE.
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
V (^) BE VBVE 1
VCB VC VB 2
V (^) CE VCVE 3
onde VB , VC e VE são os potenciais elétricos na base, coletor e emissor, respectivamente.
Fig.8 Tensões nas junções dos transistores pnp e npn.
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 4
Série de Eletrônica
Na Fig.8 as baterias externas estão polarizadas de forma a permitir a 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.
Fig.9 Representação de circuito das correntes nos terminais de um transistor.
As correntes definidas na Fig.9, recebem as seguintes denominações:
IB = corrente de base. IC = corrente de coletor. IE = corrente de emissor.
O sentido das correntes representadas na Fig.9 segue uma convenção que estabelece:
Série de Eletrônica
Como ilustrado na Fig.11, a aplicação de uma tensão positiva
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.
Fig.11 Movimento de portadores nas proximidades da junção base-emissor quando esta é polarizada diretamente.
Transistores são construídos com o emissor tendo um grau de dopagem muito superior àquele da base. Dessa forma o fluxo de portadores ocorre predominantemente por parte das lacunas injetadas na base.
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.
Transistor bipolar: princípio de operação
Assim, a maior parte das lacunas provenientes do emissor não se recombina com os elétrons da base, podendo portanto atingir a junção base- 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.
Fig.12 Movimento de portadores e correntes resultantes nos terminais de um transistor pnp.
Transistor bipolar: princípio de operação
compatíveis com os sentidos dos fluxos de corrente, mostrados na Fig.14. Conseqüentemente, para o transistor pnp operando na região ativa:
IB < 0 (IB ) > 0, indicando que a corrente na base flui do terminal B para o circuito.
IC < 0 (IC) > 0, indicando que a corrente no coletor flui do terminal C para o circuito.
IE > 0 indica que a corrente no emissor flui do circuito para o terminal E.
Fig.14 Sentidos das correntes em um transistor pnp operando na região ativa.
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
Série de Eletrônica
tensão aplicada à junção base-emissor, ou equivalentemente na corrente de base, causam variações na corrente de coletor.
Fig.15 Influência da corrente de base na corrente de coletor de um transistor.
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.
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 I (^) C, de valor bem mais elevado.
Uma medida da relação entre a corrente controlada I (^) C e a corrente de controle IB pode ser obtida do parâmetro
7 B
C DC (^) I
definido como o ganho de corrente contínua entre base e coletor.
Série de Eletrônica
QUESTIONÁRIO
BIBLIOGRAFIA
ARNOLD, Robert & BRANT, Hans. Transistores, segunda parte. São Paulo, EPU, 1975. il. (Eletrônica Industrial, 2).
CIPELLI, Antônio Marco Vicari & SANDRINI, Valdir João. Teoria do desenvolvimento de Projetos de Circuitos Eletrônicos. 7.ed. São Paulo, Érica,
Transistor bipolar: princípio de operação
SENAI/ Departamento Nacional. Reparador de circuitos eletrônicos; eletrônica básica II. Rio de Janeiro, Divisão de Ensino e Treinamento, c 1979. (Coleção Básica Senai, Módulo 1).
TUCCI, Wilson José. Introdução à Eletrônica. 7.ed. São Paulo, Nobel, 1983. 349p.
MILLMAN, Jacob e HALKIAS, Christos C., Integrated electronics: analog and digital circuits and systems, São Paulo, McGraw-Hill, 1972.
