Transistor de junção bipolar (BJT) – Detalhes de construção e operação

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Um transistor bipolar ou BJT é um dispositivo semicondutor de 3 terminais que pode amplificar ou alterar pequenas tensões e correntes de entrada de sinal em tensões e correntes de sinal de saída significativamente mais altas.

Como os BJTs do transistor de junção bipolar evoluíram

Durante o período de 1904-1947, o tubo de vácuo foi, sem dúvida, o dispositivo eletrônico de grande curiosidade e crescimento. Em 1904, o diodo do tubo de vácuo foi lançado por J. A. Fleming. Pouco tempo depois, em 1906, Lee De Forest aprimorou o dispositivo com um terceiro recurso, conhecido como grade de controle, que é produzida pelo primeiro amplificador e é chamada de triodo.

Nas décadas que se seguiram, o rádio e a televisão inspiraram grande inspiração para o negócio de tubos. A fabricação aumentou de cerca de 1 milhão de tubos em 1922 para cerca de 100 milhões em 1937. No início da década de 1930, o tetrodo de 4 elementos e o pentodo de 5 elementos ganharam popularidade nos negócios de tubos de elétrons.

Nos anos seguintes, o setor manufatureiro evoluiu para um dos setores mais importantes, e foram criadas rápidas melhorias para esses modelos, nos métodos de produção, nas aplicações de alta potência e alta frequência e na direção de miniaturização.

Co-inventores do primeiro transistor do Bell Labs: Dr. William Shockley (sentado); Dr. John Bardeen (esquerda); Dr. Walter H. Brattain. (Cortesia dos arquivos da AT&T).

No entanto, em 23 de dezembro de 1947, a indústria de eletrônicos testemunharia a chegada de uma “direção de interesse” e uma melhoria inteiramente novas. No meio do dia, Walter H. Brattain e John Bardeen exibiram e demonstraram a função amplificadora do primeiro transistor nos Laboratórios Telefônicos Bell.

O primeiro transistor (que estava na forma de um transistor de contato pontual) é mostrado na Figura 3.1.


a primeira imagem do transistor

Imagem de cortesia: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Os aspectos positivos desta unidade de estado sólido de 3 pinos, em contraste com o tubo, foram notados instantaneamente: era muito menor, podia funcionar sem um “aquecedor” ou perdas de aquecimento, era inquebrável e forte, era mais eficiente em termos de O uso de energia era facilmente armazenado e acessível, não exigia nenhuma inicialização inicial de aquecimento e operava com tensões operacionais muito mais baixas.

Vcc e Vee na base comum BJT pnp e npn

CONSTRUÇÃO DE TRANSISTOR

Um transistor é basicamente um dispositivo construído com 3 camadas de material semicondutor usando 2 camadas do tipo n e um material do tipo p de camada única ou 2 camadas do tipo p e um material do tipo n da camada única. O primeiro tipo é chamado de transistor NPN, enquanto a segunda variante é chamada de transistor do tipo PNP.

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Ambos os tipos podem ser visualizados na Figura 3.2 com viés de DC adequado.

Já aprendemos como nos BJTs, o viés de DC se torna essencial para estabelecer a região operacional necessária e para a amplificação de CA. Para isso, a camada lateral do emissor é dopada mais significativamente em comparação com o lado base, que é dopado menos significativamente.

As camadas externas são criadas com camadas muito mais espessas em comparação com os materiais intercalados do tipo p ou n. Na Fig. 3.2 acima, podemos descobrir que, para esse tipo, a proporção da largura total em comparação com a camada do meio é de cerca de 0,150 / 0,001: 150: 1. O doping implementado no intercalar também é relativamente menor do que as camadas externas, que geralmente variam entre 10: 1 ou até menos.

Esse tipo de nível reduzido de dopagem reduz a condutividade do material e aumenta a natureza resistiva, restringindo a quantidade de elétrons em movimento livre ou portadores “livres”.

No diagrama de polarização, também podemos ver que os terminais do dispositivo são mostrados com letras maiúsculas E para o emissor, C para o coletor e B para a base. Em nossa discussão futura, explicarei por que esses terminais recebem tanta importância.

Além disso, o termo BJT é usado para abreviar o transistor bipolar e esses 3 dispositivos terminais são designados. A frase “bipolar” indica a relevância dos orifícios e elétrons envolvidos durante o processo de dopagem em relação a uma substância polarizada oposta.

OPERAÇÃO DO TRANSISTOR

Agora vamos entender a operação fundamental de um BJT com a ajuda de uma versão PNP da Fig 3.2. O princípio de funcionamento de uma contraparte da NPN seria exatamente semelhante se a participação de elétrons e buracos fosse simplesmente trocada.

Como pode ser visto na Figura 3.3, o transistor PNP foi redesenhado, eliminando o viés da base para o coletor. Podemos visualizar como a região de depleção parece estreita devido ao viés induzido, o que causa um fluxo maciço de operadoras majoritárias através de materiais do tipo p para n.

funcionamento fundamental de um BJT, portadores de fluxo majoritário e região de esgotamento

No caso de o viés base-emissor do transistor pnp ser removido, como mostra a Figura 3.4, o fluxo dos portadores majoritários torna-se zero, permitindo o fluxo apenas dos portadores minoritários.

Resumidamente, podemos entender que, em uma situação parcial uma junção p-n de um BJT é polarizada inversamente, enquanto a outra junção é polarizada para frente.

Na Fig. 3.5, podemos ver que ambas as tensões de polarização são aplicadas a um transistor pnp, causando o fluxo portador de maioria e minoria indicado. Aqui, a partir da largura das regiões de depleção, podemos visualizar claramente qual junção funciona sob uma condição de polarização direta e qual está em polarização reversa.

Como mostrado na figura, um número substancial de portadores majoritários acaba sendo difundido através da junção p-n enviesada para frente no material do tipo n. Isso levanta uma questão em nossas mentes: essas transportadoras poderiam desempenhar um papel importante na promoção da base IB atual ou em permitir que ela fluísse diretamente no material do tipo p?

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Considerando que o conteúdo intercalado do tipo n é incrivelmente fino e possui condutividade mínima, excepcionalmente poucas dessas transportadoras seguirão essa rota pesada através do terminal base.

O nível de corrente base é tipicamente em torno de microamperes, em vez de miliamperes para correntes de emissor e coletor.

A maior faixa desses portadores majoritários difundirá ao longo da junção de polarização reversa no material do tipo p conectado ao terminal do coletor, conforme observado na Figura 3.5.

A verdadeira causa dessa relativa facilidade com a qual os operadores majoritários podem atravessar a junção de polarização reversa é rapidamente percebida com o exemplo de um diodo de polarização reversa no qual os operadores majoritários induzidos aparecem como operadores minoritários no material de tipo n.

Em outras palavras, encontramos uma introdução de transportadoras minoritárias no material da região base do tipo n. Com esse conhecimento e juntamente com o fato de que, para os diodos, todas as portadoras minoritárias na região de depleção atravessam a junção com polarização reversa, resultando em fluxo de elétrons, conforme indicado na Figura 3.5.

Fluxo portador maioritário e minoritário no transistor pnp

Supondo que o transistor na Figura 3.5 seja um único nó, podemos aplicar a lei atual de Kirchhoff para obter a seguinte equação:

O que mostra que a corrente do emissor é igual à soma da base e da corrente do coletor.

No entanto, a corrente do coletor é composta por um par de elementos, que são os portadores majoritários e minoritários, conforme mostrado na Figura 3.5.

O elemento transportador de corrente minoritária aqui constitui a corrente de fuga e é simbolizado como ICO (IC de corrente com um terminal emissor aberto).

Consequentemente, a corrente líquida do coletor é estabelecida como indicado na seguinte equação 3.2:

A corrente do coletor de IC é medida em mA para todos os transistores de uso geral, enquanto a ICO é calculada em uA ou nA.

A ICO se comportará como um diodo de polarização reversa e, portanto, pode ser vulnerável a mudanças de temperatura e, portanto, deve ser tratada adequadamente durante o teste, especialmente em circuitos projetados para operar em cenários de alcance. de temperaturas altamente variáveis; caso contrário, o resultado pode ser bastante afetado devido ao fator de temperatura.

Dito isto, devido às muitas melhorias avançadas no projeto de construção dos transistores modernos, a OIC é significativamente reduzida e pode ser completamente ignorada para todos os BJTs atualmente.

No próximo capítulo, aprenderemos como configurar o BJT no modo base comum.

Referências https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…

Veja na FONTE até ser revisado o post.

Status (Não Revisado)

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