Transistores - Principio de Operação.

Missão do Sistema SENAI

                Contribuir para o fortalecimento da indústria e o desenvolvimento

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

     cidadania, a assistência técnica e tecnológica, a produção e disseminação

     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:

·        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.  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.

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  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:

·        A bateria B1  polariza diretamente a junção base-emissor.

·        A bateria B2  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.  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:

·        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 V_BE.

·        Tensão coletor-base, representada pelo parâmetro V_CB.

·        Tensão coletor-emissor, representada pelo parâmetro V_CE.

         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      (4)

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.

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

·        I_B  = corrente de base.

·        I_C  = corrente de coletor.

·        I_E  = 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     (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.

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

Veb=Ve-Vb      (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.  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.

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)       (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 compatíveis com os sentidos dos fluxos de corrente, mostrados na Fig.14.  Conseqüentemente, para o transistor pnp operando na região ativa:

·        I_B < 0 Þ (-I_B) > 0, indicando que a corrente na base flui do terminal B para o circuito.

·        I_C < 0 Þ (-I_C) > 0, indicando que a corrente no coletor flui do terminal C para o circuito.

·        I_E > 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 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.  

GANHO DE CORRENTE DO TRANSISTOR

Como discutido na seção anterior, através de um transistor é possível utilizar um pequeno valor de corrente I_B 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 I_B pode ser obtida do parâmetro

b_{DC = Ic/Ib       (7)} 

definido como o ganho de corrente contínua entre base e coletor. 

Como na região ativa as correntes I_C e I_B têm o mesmo sinal, nesse regime de operação o parâmetro b_DC é um número positivo.

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

Ic=b_{DCIb      (8)}

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

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.  

Transistores - Composição

Missão do Sistema SENAI

                Contribuir para o fortalecimento da indústria e o desenvolvimento

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     de informação e a adequação, geração e difusão de tecnologia.

O transistor bipolar é um componente eletrônico constituído de cristais semicondutores, capaz de atuar como controlador de corrente, o que possibilita o seu uso como amplificador de sinais ou como chave eletrônica.

         Em qualquer uma das duas funções o transistor encontra uma ampla gama de aplicações, como por exemplo:

Amplificador de sinais: Equipamentos de som e imagem e controle industrial.

Chave eletrônica: Controle industrial, calculadoras e computadores eletrônicos.

         O transistor bipolar proporcionou um grande desenvolvimento da eletrônica, devido a sua versatilidade de aplicação, constituindo-se em elemento chave em grande parte dos equipamentos eletrônicos.

         A estrutura básica do transistor se compõe de duas camadas de material semicondutor, de mesmo tipo de dopagem, entre as quais é inserida uma terceira camada bem mais fina, de material semicondutor com um tipo de dopagem distinto dos outros dois, formando uma configuração semelhante à de um “sanduíche”, conforme ilustrado na Fig.1.

Como mostrado na Fig.2, a configuração da estrutura, em forma de sanduíche, permite que se obtenham dois tipos distintos de transistor:

    Um com as camadas externas de material tipo p e com a camada central formada de um material tipo n. Esse tipo de transistor é denominado de transistor bipolar pnp.

  Outro com as camadas externas de material tipo n e com a camada central formada com um material tipo p. Esse tipo de transistor é denominado de transistor bipolar npn.

Os dois tipos de transistor podem cumprir as mesmas funções diferindo apenas na forma como as fontes de alimentação são conectadas aos terminais do componente.

TERMINAIS DO TRANSISTOR

Como mostrado na Fig.3, cada uma das camadas que formam o transistor é conectada a um terminal que permite a interligação da estrutura do componente aos circuitos eletrônicos.

Os terminais recebem uma designação que permite distinguir cada uma das camadas:

    A camada central é denominada de base, sendo representada pela letra B.

    Uma das camadas externas é denominada de coletor, sendo representada pela letra C.

    A outra camada externa é denominada de emissor, sendo representada pela letra E.

         A Fig.4 mostra os dois tipos de transistor, com a identificação dos terminais.

Embora as camadas referentes ao coletor e ao emissor de um transistor tenham o mesmo tipo de dopagem, elas diferem em dimensão geométrica e no grau de dopagem, realizando portanto funções distintas quando o componente é conectado a um circuito eletrônico. 

SIMBOLOGIA

A Fig.5  apresenta os símbolos utilizados na representação de circuito dos transistores npn e pnp. Como pode ser aí observado, os dois símbolos diferem apenas no sentido da seta entre os terminais da base e do emissor.

Alguns transistores são dotados de blindagem. Essa blindagem consiste de um encapsulamento metálico envolvendo a estrutura semicondutora, com o fim de evitar que o funcionamento do componente seja afetado por campos eletromagnéticos no ambiente. Esses transistores apresentam um quarto terminal, ligado à blindagem para que esta possa ser conectada ao terra do circuito eletrônico. A representação de circuito desses transistores está ilustrada na Fig.6.

ASPECTO REAL DOS TRANSISTORES

Os transistores podem se apresentar em diversos encapsulamentos, que variam em função do fabricante, do tipo de aplicação e da capacidade de dissipar calor.  A Fig.7 ilustra os aspectos de alguns encapsulamentos.

Fig.7 Encapsulamentos típicos de um transistor.

        Devido à variedade de configurações, a identificação dos terminais de um transistor deve sempre ser feita com auxílio do folheto de especificações técnicas do componente.

Teste de transistores

Existem instrumentos sofisticados destinados especificamente ao teste das condições de operação de um transistor. No entanto, o uso de um multímetro também permite detectar possíveis defeitos no componente.

                                   

         Como no teste de diodos com o uso de um multímetro, o teste de transistores pode não fornecer um resultado definitivo, e o uso do multímetro serve apenas para detectar os defeitos mais comuns nos transistores e diodos.

         No caso do diodo, são os seguintes os defeitos de detecção imediata com o uso de um multímetro:

    Junção pn em curto.

    Junção pn em aberto.

         Como descrito em fascículos anteriores, o teste de qualquer junção pn com o uso de um multímetro é feito em duas etapas:

Etapa 1: Realiza-se  inicialmente a identificação da polaridade real das pontas de prova do multímetro.

Etapa 2: Após a identificação de polaridade, realiza-se o teste do diodo, que consiste em detectar a existência de baixa e alta resistências ao se intercambiarem os dois contatos entre as pontas de prova e os terminais da junção pn.

         Conforme ilustrado na Fig.8, a estrutura de um transistor consiste em uma junção pn entre a base e o coletor e de uma segunda junção pn entre a base e o emissor.

Portanto, para a detecção de defeitos, o transistor pode ser considerado como composto de dois diodos conectados nas formas ilustradas na Fig.9.

A detecção de defeitos no transistor consiste em verificar a existência de curto ou de circuito aberto entre os pares de terminais BC, BE e CE.

 TESTE COM O USO DO MULTÍMETRO

O procedimento de teste das junções base-coletor e base-emissor é descrito a seguir tomando como exemplo o caso de um transistor npn. 

DETECÇÃO DE DESCONTINUIDADES NAS JUNÇÕES

         Com o potencial positivo da ponta de prova aplicado à base do transistor e o potencial negativo aplicado ao coletor ou ao emissor, como ilustrado na Fig.10, as junções correspondentes ficam polarizadas diretamente.

         Na ausência de defeitos, o instrumento deverá indicar baixa resistência das junções BC e BE.  Se houver uma junção em aberto, o instrumento fornecerá a indicação de uma resistência altíssima quando essa junção estiver sendo testada.

DETECÇÃO DE CURTOS NAS JUNÇÕES

         Para este teste as pontas de prova devem ser conectadas conforme mostrado na Fig.11.

         Com a ponta de prova negativa conectada à base, a segunda ponta de prova polariza inversamente a junção BC ou BE. Na ausência de defeitos, o multímetro deverá fornecer a indicação de altas resistências nas junções. Se houver uma junção em curto o instrumento indicará uma baixa resistência naquela junção.

DETECÇÃO DE CURTO-CIRCUITO ENTRE COLETOR E EMISSOR

         Para completar os testes deve-se ainda verificar a condição elétrica entre os terminais do coletor e do emissor.

         Com o terminal da base em aberto, o circuito equivalente entre os terminais B e C corresponde a dois diodos em série conectados inversamente. Dessa forma o multímetro deverá fornecer uma indicação de altíssima resistência para as duas possibilidades de conexão das pontas de prova mostradas na Fig.12.

Para o caso de um transistor pnp os testes podem ser conduzidos seguindo o procedimento descrito anteriormente, exceto que as pontas de prova devem ser invertidas com relação às configurações ilustradas nas Figs.10 a 12.

Todos os testes devem ser realizados com o seletor do multímetro posicionado na escala R10 ou R100 e com o transistor desconectado de qualquer circuito externo