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Transistor Bipolar (BJT) – Construção e Detalhes Operacionais

Um transistor bipolar ou um BJT é um dispositivo semicondutor de 3 terminais que é capaz de amplificar ou alternar pequenas tensões e correntes de entrada de sinal para tensões e correntes de sinal de saída significativamente maiores.

Como os BJTs de transistor de junção bipolar evoluíram

Durante 1904-1947, o tubo de vácuo foi inquestionavelmente o dispositivo eletrônico de grande curiosidade e crescimento. Em 1904, o diodo de tubo de vácuo foi lançado por JA Fleming. Logo depois, em 1906, Lee De Forest aprimorou o dispositivo com um terceiro recurso, conhecido como grade de controle, produzindo o primeiro amplificador, denominado triodo.

Nas décadas seguintes, o rádio e a televisão inspiraram enormemente o negócio do tubo. 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 adquiriram popularidade no negócio de tubos de elétrons.

Nos anos que se seguiram, o setor manufatureiro evoluiu para um dos setores mais importantes e foram criados rápidos aprimoramentos para esses modelos, nos métodos de produção, nas aplicações de alta potência e alta frequência e na direção da miniaturização.

CO-INVENTORES DO PRIMEIRO TRANSISTOR NOS LABORATÓRIOS BELL: DR. WILLIAM SHOCKLEY (SENTADO);  DR. JOHN BARDEEN (ESQUERDA);  DR. WALTER H. BRATTAIN.  (CORTESIA DE AT&T ARCHIVES.)

Em 23 de dezembro de 1947, no entanto, a indústria eletrônica estava testemunhando a chegada de uma “direção de interesse” e melhoria absolutamente nova. Aconteceu no meio-dia que Walter H. Brattain e John Bardeen exibiram e provaram a função amplificadora do primeiro transistor no Bell Telephone Laboratories.

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

A PRIMEIRA IMAGEM DO TRANSISTOR
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Cortesia da imagem: 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 instantaneamente perceptíveis: acabou sendo muito menor, poderia funcionar sem um “aquecedor” ou perdas de aquecimento, era inquebrável e forte, era mais eficiente em termos de consumo de energia, podia ser armazenado e acessado com facilidade, não exigia nenhum aquecimento inicial e funcionava em tensões operacionais muito mais baixas.

VCC E VEE EM BJT BASE COMUM PNP E NPN
TRANSISTOR BIPOLAR (BJT) - CONSTRUÇÃO E DETALHES OPERACIONAIS 13

CONSTRUÇÃO DO TRANSISTOR

Um transistor é basicamente um dispositivo construído com 3 camadas de material semicondutor no qual são usadas 2 camadas de material tipo n e uma única camada de tipo p ou 2 tipo p e uma única camada de material tipo n. O primeiro tipo é chamado de transistor NPN, enquanto a segunda variante é nomeada como o tipo de transistor PNP.

Ambos os tipos podem ser visualizados na figura 3.2 com polarização DC apropriada.

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

As camadas externas são criadas com camadas muito maiores em espessura em comparação com os materiais intercalados do tipo p ou n. Na Figura 3.2 acima, podemos encontrar que para este tipo a proporção da largura total em relação à camada central é em torno de 0,150/0,001 : 150:1. A dopagem implementada sobre a camada ensanduichada também é relativamente menor do que as camadas externas que variam tipicamente entre 10:1 ou até menos.

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

No diagrama de polarização também podemos ver que os terminais do dispositivo são mostrados usando letras maiúsculas E para emissor, C para coletor e B para base, em nossa discussão futura explicarei porque essa importância é dada a esses terminais.

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

OPERAÇÃO DO TRANSISTOR

Vamos agora entender o funcionamento fundamental de um BJT com a ajuda de uma versão PNP da Figura 3.2. O princípio de funcionamento de uma contraparte NPN seria exatamente semelhante se a participação dos elétrons e das lacunas fossem simplesmente trocadas.

Como pode ser visto na Figura 3.3, o transistor PNP foi redesenhado, eliminando a polarização da base para o coletor. Podemos visualizar como a região de depleção parece estreitada em largura devido à polarização induzida, o que causa um fluxo maciço do operadoras majoritárias entre p- para os materiais do tipo n.

FUNCIONAMENTO FUNDAMENTAL DE UM BJT, PORTADORES MAJORITÁRIOS DE FLUXO E REGIÃO DE DEPLEÇÃO
TRANSISTOR BIPOLAR (BJT) - CONSTRUÇÃO E DETALHES OPERACIONAIS 14

Caso a polarização base-emissor do transistor pnp seja removida, conforme demonstrado na Figura 3.4, o fluxo das portadoras majoritárias torna-se zero, permitindo o fluxo apenas das portadoras minoritárias.

Resumidamente podemos entender que, em uma situação tendenciosa uma junção pn de um BJT torna-se polarizada reversa enquanto a outra junção é polarizada diretamente.

Na Fig. 3.5 podemos ver ambas as tensões de polarização sendo aplicadas a um transistor bipolar pnp, o que causa o fluxo de portadora majoritária e minoritária indicada. Aqui, a partir das larguras das regiões de depleção, podemos visualizar claramente qual junção está funcionando com uma condição de polarização direta e qual está com polarização reversa.

Como mostrado na figura, uma quantidade substancial de portadores majoritários acaba sendo difundida através da junção pn com polarização direta no material do tipo n. Isso levanta uma questão em nossas mentes, esses portadores poderiam desempenhar algum papel importante para promover a corrente de base IB ou permitir que ela flua diretamente para o material tipo p?

Considerando que o conteúdo do tipo n sanduíche é incrivelmente fino e possui condutividade mínima, um número excepcionalmente pequeno dessas operadoras seguirá essa rota específica de alta resistência através do terminal base.

O nível da corrente de base é normalmente em torno de microamperes em vez de miliamperes para as correntes de emissor e coletor.

A maior faixa desses portadores majoritários se difundirá ao longo da junção com polarização reversa para o material tipo p ligado ao terminal do coletor, conforme indicado na Fig. 3.5.

A causa real por trás dessa relativa facilidade com que os portadores majoritários podem atravessar a junção com polarização reversa é rapidamente percebida pelo exemplo de um diodo com polarização reversa, onde os portadores majoritários induzidos aparecem como portadores minoritários no material tipo n.

Em outras palavras, encontramos uma introdução de portadores minoritários no material da região de base do tipo n. Com esse conhecimento e junto com o fato de que para diodos todos os portadores minoritários na região de depleção cruzam a junção com polarização reversa, resulta no fluxo de elétrons, conforme indicado na Fig. 3.5.

FLUXO DE PORTADORAS MAJORITÁRIAS E MINORITÁRIAS NO TRANSISTOR PNP
TRANSISTOR BIPOLAR (BJT) - CONSTRUÇÃO E DETALHES OPERACIONAIS 15

Supondo que o transistor na Fig.3.5 seja um único nó, podemos aplicar a lei de Kirchhoff das correntes para obter a seguinte equação:

euE = euC + euB

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

No entanto, a corrente de coletor é composta de alguns elementos, que são os portadores majoritários e minoritários, conforme demonstrado na Fig.3.5.

O elemento portador 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 dado na seguinte equação 3.2:

euC = euMaioria + euCOminoria

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

O ICO se comportará como um diodo de polarização reversa e, portanto, poderá ser vulnerável a mudanças de temperatura e, portanto, deve ser adequadamente cuidado durante o teste, especialmente em circuitos projetados para funcionar em cenários de faixa de temperatura amplamente variados, ou então o resultado pode ser extremamente afetada pelo fator temperatura.

Dito isto, devido aos muitos aprimoramentos avançados no layout de construção dos transistores bipolares modernos, o ICO é significativamente reduzido e pode ser completamente ignorado para todos os BJTs de hoje.

No próximo capítulo aprenderemos como configurar BJTs no modo base comum.

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

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FONTE


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