Transistores de junção bipolar

O transistor de junção bipolar (BJT) recebeu esse nome porque seu funcionamento envolve a condução por dois portadores:elétrons e buracos no mesmo cristal. O primeiro transistor bipolar foi inventado no Bell Labs por William Shockley, Walter Brattain e John Bardeen tão tarde em 1947 que não foi publicado até 1948. Assim, muitos textos diferem quanto à data de invenção. Brattain fabricou um transistor de contato pontual de germânio , tendo alguma semelhança com um diodo de contato pontual. Em um mês, Shockley tinha um transistor de junção mais prático , que descreveremos nos parágrafos a seguir. Eles receberam o Prêmio Nobel de Física em 1956 pelo transistor.

O transistor de junção bipolar mostrado na Figura abaixo (a) é um sanduíche de semicondutor de três camadas NPN com um emissor e colecionador nas extremidades, e uma base entre. É como se uma terceira camada fosse adicionada a um diodo de duas camadas. Se esse fosse o único requisito, não teríamos mais do que um par de diodos consecutivos. Na verdade, é muito mais fácil construir um par de diodos consecutivos. A chave para a fabricação de um transistor de junção bipolar é fazer a camada do meio, a base, tão fina quanto possível, sem causar curto nas camadas externas, o emissor e o coletor. Não podemos enfatizar demais a importância da região de base delgada.

Junções BJT

O dispositivo na Figura abaixo (a) tem um par de junções, emissor para base e base para coletor, e duas regiões de depleção.



(a) Transistor bipolar de junção NPN. (b) Aplique polarização reversa à junção da base do coletor.

É comum reverter a polarização da junção base-coletor de um transistor de junção bipolar, conforme mostrado na (Figura acima (b). Observe que isso aumenta a largura da região de depleção. A voltagem de polarização reversa pode ser de alguns volts a dezenas de volts para a maioria dos transistores. Não há fluxo de corrente, exceto corrente de fuga, no circuito coletor.

Na Figura abaixo (a), uma fonte de tensão foi adicionada ao circuito base do emissor. Normalmente, direcionamos a polarização da junção emissor-base, superando a barreira de potencial de 0,6 V. Isso é semelhante à polarização direta de um diodo de junção. Essa fonte de tensão precisa exceder 0,6 V para portadores majoritários (elétrons para NPN) para fluir do emissor para a base, tornando-se portadores minoritários no semicondutor tipo P.

Se a região da base fosse espessa, como em um par de diodos consecutivos, toda a corrente que entra na base fluiria pelo cabo da base. Em nosso exemplo de transistor NPN, os elétrons que saem do emissor para a base se combinam com orifícios na base, abrindo espaço para mais orifícios serem criados no terminal (+) da bateria na base conforme os elétrons saem.

No entanto, a base é de fabricação fina. Alguns portadores majoritários no emissor, injetados como portadores minoritários na base, na verdade se recombinam. Veja a figura abaixo (b). Poucos elétrons injetados pelo emissor na base de um transistor NPN caem em buracos. Além disso, poucos elétrons que entram na base fluem diretamente através da base para o terminal positivo da bateria. A maior parte da corrente emissora de elétrons se difunde através da base fina para o coletor. Além disso, a modulação da pequena corrente de base produz uma mudança maior na corrente do coletor. Se a tensão de base cair abaixo de aproximadamente 0,6 V para um transistor de silício, a grande corrente emissor-coletor para de fluir.



Transistor bipolar de junção NPN com coletor-base polarizado reverso:(a) Adicionando polarização direta à junção base-emissor, resulta em (b) uma pequena corrente de base e grandes correntes de emissor e coletor.

Amplificação de corrente BJT

Na Figura abaixo, examinamos mais de perto o mecanismo de amplificação atual. Temos uma visão ampliada de um transistor de junção NPN com ênfase na região de base fina. Embora não seja mostrado, assumimos que as fontes de tensão externas 1) polarização direta da junção emissor-base, 2) polarização reversa da junção base-coletor. Corrente, deixa o emissor para o terminal (-) da bateria. O fluxo de corrente de base corresponde às correntes que entram no terminal de base do terminal (+) da bateria.



Disposição de elétrons que entram na base:(a) Perdidos devido à recombinação com os orifícios da base. (b) Flui para fora do chumbo de base. (c) A maioria se difunde do emissor através da base fina para a região de depleção do coletor de base, e (d) são rapidamente varridos pelo campo elétrico da região de depleção forte para o coletor.

Os portadores majoritários dentro do emissor do tipo N são elétrons, tornando-se portadores minoritários ao entrar na base do tipo P. Esses elétrons enfrentam quatro destinos possíveis ao entrar na fina base do tipo P. Alguns na Figura acima (a) caem em orifícios na base que contribuem para o fluxo de corrente da base para o terminal (+) da bateria. Não mostrado, os orifícios na base podem se difundir no emissor e se combinar com os elétrons, contribuindo para a corrente do terminal da base. Poucos em (b) fluem através da base para o terminal (+) da bateria como se a base fosse um resistor. Ambos (a) e (b) contribuem para o fluxo de corrente de base muito pequeno. A corrente base é normalmente 1% da corrente do emissor ou do coletor para pequenos transistores de sinal. A maioria dos elétrons emissores se difunde direto através da base fina (c) para a região de depleção do coletor de base. Observe a polaridade da região de depleção ao redor do elétron em (d). O forte campo elétrico leva o elétron rapidamente para o coletor. A intensidade do campo é proporcional à tensão da bateria do coletor. Assim, 99% da corrente do emissor flui para o coletor. É controlado pela corrente de base, que é 1% da corrente do emissor. Este é um ganho de corrente potencial de 99, a proporção de I _C / I _B , também conhecido como beta, β.

Essa mágica, a difusão de 99% dos portadores do emissor pela base, só é possível se a base for muito fina. Qual seria o destino das operadoras de base minoritária em uma base 100 vezes mais espessa? Seria de se esperar que a taxa de recombinação, elétrons caindo em buracos, fosse muito maior. Talvez 99%, em vez de 1%, caísse em buracos, nunca chegando ao coletor. O segundo ponto a fazer é que a corrente de base pode controlar 99% da corrente do emissor, apenas se 99% da corrente do emissor se difundir para o coletor. Se tudo fluir para fora da base, nenhum controle será possível.

Outra característica responsável pela passagem de 99% dos elétrons do emissor para o coletor é que os transistores de junção bipolar reais usam um pequeno emissor fortemente dopado. A alta concentração de elétrons emissores força muitos elétrons a se difundirem na base. A menor concentração de dopagem na base significa menos orifícios difundidos no emissor, o que aumentaria a corrente de base. A difusão de portadores do emissor para a base é fortemente favorecida.

A base fina e o emissor fortemente dopado ajudam a manter a eficiência do emissor alto, 99% por exemplo. Isso corresponde a 100% da corrente do emissor dividindo-se entre a base como 1% e o coletor como 99%. A eficiência do emissor é conhecida como α =I _C / I _E .

Tipos de BJT

Os transistores de junção bipolar estão disponíveis como dispositivos PNP e NPN. Apresentamos uma comparação entre os dois na Figura abaixo. A diferença é a polaridade das junções do diodo emissor de base, conforme representado pela direção do símbolo esquemático da seta emissora. Ele aponta na mesma direção que a seta do ânodo para um diodo de junção, ao longo do fluxo da corrente. Veja junção de diodo, figura anterior. A ponta da seta e da barra correspondem aos semicondutores do tipo P e do tipo N, respectivamente. Para emissores NPN e PNP, a seta aponta para longe e em direção à base, respectivamente. Não há seta esquemática no coletor. No entanto, a junção base-coletor tem a mesma polaridade que a junção base-emissor em comparação com um diodo. Observe, falamos de diodo, não de fonte de alimentação, polaridade.



Compare o transistor NPN em (a) com o transistor PNP em (b). Observe a direção da seta do emissor e a polaridade da alimentação.

As fontes de tensão para os transistores PNP são invertidas em comparação com os transistores NPN, conforme mostrado na Figura acima. A junção base-emissor deve ser polarizada direta em ambos os casos. A base em um transistor PNP é polarizada negativa (b) em comparação com positiva (a) para um NPN. Em ambos os casos, a junção base-coletor é polarizada reversamente. A fonte de alimentação do coletor PNP é negativa em comparação com a positiva para um transistor NPN.



Transistor de junção bipolar:(a) seção transversal do dispositivo discreto, (b) símbolo esquemático, (c) seção transversal do circuito integrado.

Observe que o BJT na Figura acima (a) tem forte dopagem no emissor, conforme indicado pela notação N +. A base tem um nível normal de P-dopante. A base é muito mais fina do que mostra a seção transversal fora da escala. O coletor é levemente dopado, conforme indicado pela notação N. O coletor precisa ser levemente dopado para que a junção coletor-base tenha uma alta tensão de ruptura. Isso se traduz em uma alta tensão de alimentação do coletor permitida. Transistores de silício de pequeno sinal têm uma tensão de ruptura de 60-80 V. Porém, ele pode atingir centenas de volts para transistores de alta tensão. O coletor também precisa ser fortemente dopado para minimizar as perdas ôhmicas se o transistor precisar lidar com alta corrente. Esses requisitos contraditórios são atendidos dopando o coletor mais fortemente na área de contato metálico. O coletor próximo à base é levemente dopado em comparação com o emissor. O doping pesado no emissor dá ao emissor-base uma baixa tensão de ruptura aproximada de 7 V em pequenos transistores de sinal. O emissor fortemente dopado faz com que a junção emissor-base tenha características semelhantes ao diodo zener em polarização reversa.

O BJT morre , um pedaço de um wafer semicondutor fatiado e em cubos, é montado em um coletor em uma caixa de metal para transistores de potência. Ou seja, a caixa de metal é conectada eletricamente ao coletor. Um pequeno dado de sinal pode ser encapsulado em epóxi. Nos transistores de potência, os fios de ligação de alumínio conectam a base e o emissor aos condutores do pacote. Matrizes de transistor de sinal pequeno podem ser montadas diretamente nos fios condutores. Vários transistores podem ser fabricados em uma única matriz chamada de circuito integrado . Até mesmo o coletor pode estar ligado a uma chumbo em vez da caixa. O circuito integrado pode conter fiação interna dos transistores e outros componentes integrados. O BJT integrado mostrado na (Figura (c) acima) é muito mais fino do que o desenho “fora da escala”. A região P + isola vários transistores em uma única matriz. Uma camada de metalização de alumínio (não mostrada) interconecta vários transistores e outros componentes. A região do emissor é fortemente dopada, N + em comparação com a base e o coletor para melhorar a eficiência do emissor.

Os transistores PNP discretos são quase tão de alta qualidade quanto a contraparte NPN. No entanto, os transistores PNP integrados não são tão bons quanto a variedade NPN dentro do mesmo molde do circuito integrado. Assim, os circuitos integrados usam a variedade NPN tanto quanto possível.

REVER:

• Os transistores bipolares conduzem corrente usando elétrons e orifícios no mesmo dispositivo.
• A operação de um transistor bipolar como um amplificador de corrente requer que a junção coletor-base seja polarizada reversa e a junção base-emissor seja polarizada direta.
• Um transistor difere de um par de diodos consecutivos porque a base, a camada central, é muito fina. Isso permite que os portadores majoritários do emissor se difundam como portadores minoritários através da base para a região de depleção da junção base-coletor, onde o forte campo elétrico os coleta.
• A eficiência do emissor é melhorada por dopagem mais pesada em comparação com o coletor. Eficiência do emissor:α =I _C / I _E , 0,99 para dispositivos de pequeno sinal
• O ganho atual é β =I _C / I _B , 100 a 300 para transistores de sinal pequenos.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de teoria do transistor de junção bipolar (BJT)