Transistores - Principio de Operação.

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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.