Transistor de junção bipolar (BJT) - construção e detalhes operacionais

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

Como os BJTs do transistor de junção bipolar evoluíram

Durante 1904-1947, o tubo de vácuo foi, sem dúvida, o dispositivo eletrônico de grande curiosidade e crescimento. Em 1904, o diodo de tubo a vácuo foi lançado por J. A. 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 subsequentes, o rádio e a televisão deram uma grande inspiração ao setor 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 adquiriram popularidade no mercado de tubos de elétrons.

Nos anos que se seguiram, o setor de manufatura evoluiu para um dos setores mais importantes, e melhorias rápidas foram criadas para esses modelos, nos métodos de produção, em aplicações de alta potência e alta frequência e na direção da miniaturização.

Em 23 de dezembro de 1947, entretanto, a indústria de eletrônicos iria testemunhar a chegada de uma 'direção de interesse' e de melhorias absolutamente novas. Descobriu-se no meio-dia que Walter H. Brattain e John Bardeen exibiram e provaram a função amplificadora do primeiro transistor nos Laboratórios Bell Telephone.

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

Cortesia de 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 imediatamente perceptíveis: ela acabou sendo 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, podia ser armazenado e acessado com facilidade, não exigia nenhum aquecimento inicial e funcionava com tensões operacionais muito mais baixas.

CONSTRUÇÃO DE TRANSISTORES

Um transistor é basicamente um dispositivo construído com 3 camadas de material semicondutor em que é usado o tipo 2 n e uma única camada de material 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 chamada de transistor do tipo PNP.

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

Já aprendemos como em Polarização DC BJTs tornam-se essenciais 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 da base, que é menos dopada.

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

Este tipo de nível de dopagem reduzido diminui a capacidade de condução do material e aumenta a natureza resistiva ao restringir a quantidade de elétrons em movimento livre ou 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 por que 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 com polarização oposta.

OPERAÇÃO DE TRANSISTOR

Vamos agora entender o funcionamento fundamental de um BJT com a ajuda de uma versão PNP da Figura 3.2. O princípio de operação 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, que causa um fluxo maciço de operadoras majoritárias em materiais do tipo p a n.

No caso de a polarização base-emissor do transistor pnp ser removida como demonstrado na Fig 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 p-n de um BJT torna-se polarizada reversa enquanto a outra junção é polarizada direta.

Na Fig. 3.5, podemos ver as duas tensões de polarização sendo aplicadas a um transistor pnp, o que causa o fluxo de portadores majoritários e minoritários indicados. 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.

Conforme mostrado na figura, uma quantidade substancial de portadores majoritários acaba sendo difundida através da junção p-n polarizada para frente no material 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 do tipo p?

Considerando que o conteúdo do tipo n imprensado é incrivelmente fino e possui condutividade mínima, excepcionalmente poucos desses portadores vão seguir esta rota particular de alta resistência através do terminal de 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 faixa maior desses portadores majoritários vai se difundir ao longo da junção de polarização reversa no material do tipo p anexado ao terminal coletor, conforme indicado na Fig. 3.5.

A causa real por trás dessa relativa facilidade com que os portadores majoritários têm permissão para atravessar a junção polarizada reversa é rapidamente percebida pelo exemplo de um diodo polarizado reverso onde os transportadores majoritários induzidos aparecem como portadores minoritários no material do 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 os diodos todos os portadores minoritários na região de depleção atravessam a junção de polarização reversa, resulta no fluxo de elétrons, conforme indicado na Fig. 3.5.

Supondo que o transistor na Fig.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 corrente de base e do coletor.

No entanto, a corrente de coletor é composta por um par de 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 atual com um terminal emissor aberto).

Consequentemente, a corrente líquida do coletor é estabelecida conforme dado na seguinte equação 3.2:

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

ICO vai se comportar como um diodo de polarização reversa e, portanto, pode ser vulnerável a mudanças de temperatura e, portanto, deve ser devidamente tomado cuidado durante o teste, especialmente em circuitos que são projetados para trabalhar em cenários de ampla variação de temperatura, ou então o resultado pode ser imensamente afetado devido ao fator de temperatura.

Dito isso, devido aos muitos aprimoramentos avançados no layout de construção dos transistores 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 de base comum.

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