O termo transistor é derivado das palavras “transferência e “resistor”. O primeiro transistor semicondutor foi inventado para substituir o triodo como dispositivo amplificador, um tubo de vácuo com três eletrodos. O transistor era menor, mais leve e mais barato que um triodo valvulado. Também se mostrou fácil de construir e não teve perdas de calor como em um triodo.
Um pouco de história:
- O primeiro transistor foi um transistor de contato pontual desenvolvido por John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley em 1947 no Bells Lab.
- Em 1948, o primeiro transistor de junção bipolar foi desenvolvido por William Shockley.
- Em 1951, foram introduzidos os primeiros rádios transistorizados comerciais.
- Em 1954, o primeiro circuito integrado foi desenvolvido por Jack Kilby na Texas Instruments usando transistores.
Desde então, os transistores têm sido um alicerce da eletrônica, fornecendo uma parte importante dos circuitos digitais para a eletrônica de potência.
Os transistores de junção bipolar (BJT) são o tipo mais comum. Um BJT é semelhante a dois diodos semicondutores combinados em um dispositivo de três terminais e também é feito de materiais semicondutores, como silício e germânio. Um transistor é normalmente usado para amplificar ou comutar sinais eletrônicos.
Um BJT possui três terminais:
- O base é o terminal de controle
- O colecionador e a emissor são os terminais de entrada/saída
Como o próprio nome sugere, um BJT é um dispositivo eletrônico bipolar. Isso significa que tanto os elétrons quanto as lacunas participam como portadores de carga. O termo “junção” indica duas junções PN em um transistor de junção bipolar. O termo “transistor” refere-se à sua função como amplificador de sinal. Uma pequena corrente aplicada à sua base controla a corrente muito maior entre o emissor e o coletor.
O BJT é um dispositivo eletrônico fundamental, amplamente utilizado em circuitos eletrônicos para amplificação, comutação e processamento de sinais. É versátil e é encontrado em diversas aplicações, incluindo circuitos integrados digitais, osciladores, processadores de sinal e eletrônica de potência.
Neste artigo, discutiremos os conceitos básicos de um transistor de junção bipolar e exploraremos seus usos práticos em circuitos.
O que é um BJT?
Um transistor de junção bipolar (BJT) é um dispositivo semicondutor de três camadas que consiste em duas camadas do tipo p e uma camada do tipo n, ou duas camadas do tipo n e uma camada do tipo p.
- Um transistor que consiste em duas camadas do tipo n e uma camada do tipo p imprensada entre elas é chamado de transistor NPN.
- Um transistor composto por dois materiais do tipo p e uma camada do tipo n imprensada entre eles é chamado de transistor PNP.
Esses transistores são nomeados com base no arranjo de suas camadas semicondutoras e na maioria dos portadores de carga envolvidos em sua operação.
Os símbolos para transistores NPN e PNP são mostrados abaixo.
Construção BJT
Um transistor é semelhante a um triodo e é usado para amplificar sinais. Em um transistor, a camada emissora é fortemente dopada, enquanto a base e o coletor são levemente dopados.
O emissor e o coletor possuem larguras muito maiores que a base. A relação entre a largura da base e a largura total do transistor é normalmente 150:1. O nível de dopagem da camada base também é 10 vezes menor que o do coletor e do emissor. Devido aos níveis mais baixos de doping, a base possui portadores de carga gratuitos limitados, resultando em maior resistência.
Como funciona um transistor
Assim como um diodo semicondutor, um transistor também requer polarização adequada para funcionar. Polarização refere-se a definir as condições de operação DC do transistor de forma que ele opere em uma região desejada.
Como um diodo semicondutor, as características de saída de um transistor são divididas em regiões distintas. A polarização adequada para o transistor NPN é mostrada abaixo.
Para entender como funciona um transistor, pense nele como duas junções PN – uma entre o emissor e a base e a outra entre a base e o coletor.
Suponha que se assuma que a junção base-coletor seja aberta (devido ao potencial negativo no emissor tipo N e ao potencial positivo na base tipo P). Nesse caso, a junção PN emissor-base é polarizada diretamente.
Em um emissor do tipo N, uma região de transistor fortemente dopada, os elétrons são os portadores majoritariamente carregados. Devido à polarização direta na junção emissor-base, um grande número de elétrons flui do emissor para a base, enquanto um pequeno número de lacunas passa pela base até o emissor.
A seguir, vamos supor que a junção emissor-base seja aberta. Nesse caso, existe um potencial negativo aplicado na base tipo P e um potencial positivo aplicado no coletor tipo N. Como resultado, a junção PN do coletor base é polarizada reversamente.
Numa condição de polarização reversa, a corrente das cargas minoritárias transporta o fluxo da base para o coletor. Na base do tipo P, os elétrons são os portadores com carga minoritária, e no coletor do tipo N, as lacunas são os portadores com carga minoritária.
No entanto, muitos elétrons também são injetados a partir da polarização direta da junção emissor-base. Devido à alta resistência da região da base, apenas uma quantidade insignificante de corrente passa pelo terminal da base. A maioria dos elétrons injetados na região da base se difundem para a região do coletor tipo N.
Ao aplicar a lei das correntes de Kirchhoff ao transistor, obtemos a seguinte equação.
EUE = euB + euC
A relação de corrente acima permanece aplicável sempre que um transistor é conectado em um circuito. A corrente do coletor tem dois componentes:
EUC = euMaioria + euCMinoria
A corrente de base é quase insignificante em termos da ordem de microamperes ou nanoamperes. As correntes do emissor e do coletor são da ordem de miliamperes.
Como a corrente de base é quase insignificante quando a junção emissor-base é polarizada diretamente e a junção base-coletor é polarizada reversamente, a corrente do emissor e a corrente do coletor são quase iguais.
EUE =̃ euC
A corrente do coletor, devido aos portadores minoritários (ou seja, os furos no coletor tipo N) é desprezível devido à alta resistência da região da base.
Assim, podemos dizer que a corrente do emissor e a corrente que passa pelo coletor dos portadores majoritários (ou seja, elétrons) são equivalentes no caso do transistor NPN.
EUE =̃ euMaioria
Assim, para qualquer tensão entre a junção base-coletor, a corrente que passa pelo coletor é equivalente à corrente no emissor. A polarização DC na base do transistor controla o fluxo de corrente do emissor para o coletor. Um transistor PNP opera da mesma maneira, exceto que as funções desempenhadas pelos elétrons e lacunas são trocadas.
Em um transistor NPN, a corrente entre o emissor e o coletor provém em grande parte do fluxo de elétrons do emissor para o coletor. É por isso que a direção da corrente convencional é indicada por uma seta apontando para fora do emissor.
Em um transistor PNP, a corrente entre o emissor e o coletor se deve em grande parte ao fluxo dos orifícios do emissor para o coletor. É por isso que a direção da corrente convencional é indicada por uma seta apontando para dentro do emissor.
Características VI
Como um dispositivo de três terminais, o BJT possui um lado de entrada e um lado de saída. Um dos terminais permanece comum entre os lados de entrada e saída. Este terminal também está mais próximo ou no potencial de terra.
As características VI de um BJT são então divididas em dois conjuntos de características: os parâmetros de entrada ou ponto de acionamento e as características de saída.
Agora, suponha que o transistor esteja conectado de forma que o terminal da base seja compartilhado entre os lados de entrada e saída. Esta é uma configuração de base comum do transistor. O sinal de entrada é aplicado no emissor e o coletor recebe o sinal de saída.
Como o lado de entrada deve ser polarizado diretamente para que qualquer corrente flua entre o emissor e a base, as características VI de entrada são semelhantes à curva característica de polarização direta de um diodo. As características de entrada do BJT em uma configuração de base comum são mostradas abaixo.
Como pode ser visto na curva de características de entrada para configuração de base comum, se a tensão base-coletor for constante, a corrente do emissor (sinal de entrada) aumenta exponencialmente após uma certa tensão base-emissor.
Se a tensão coletor-base aumentar, o aumento exponencial começa mais cedo e a corrente do emissor aumenta para um valor mais alto para a tensão máxima permitida na junção coletor-base.
A curva característica de saída para a configuração de base comum é mostrada abaixo.
A corrente do coletor (sinal de saída) possui três regiões distintas de operação em comparação com a tensão base do coletor. Quando a junção base-emissor e base-coletor são polarizadas reversamente, a corrente do emissor e a corrente do coletor são zero.
Há um fluxo de corrente insignificante no coletor devido aos portadores minoritários, que pode ser ignorado. Esta é a região de corte do transistor. Nesta região o transistor está desligado. Não há corrente de base ou corrente de coletor.
Quando a junção base-emissor e base-coletor são polarizadas diretamente, a corrente do coletor aumenta acentuadamente para uma ligeira mudança na tensão base-coletor. Esta é a região de saturação do transistor. Nesta região, o transistor está totalmente ligado e um coletor máximo de corrente flui. Esta região de operação é útil para usar um transistor como chave ou para construir portas lógicas.
Quando uma junção base-emissor é polarizada diretamente e a junção base-coletor é polarizada reversamente, a corrente do coletor se aproxima da corrente do emissor e não há efeito ou mudança na tensão base do coletor na corrente do coletor. Esta é a região ativa do transistor. Nesta região, o transistor opera como um amplificador linear. Uma pequena corrente de base controla uma corrente de coletor maior, permitindo a amplificação do sinal.
Um transistor NPN é formado imprensando uma região do tipo P entre duas regiões do tipo N. Os elétrons são o portador majoritário.
Para operar um transistor NPN em uma região ativa, uma tensão positiva é aplicada ao coletor (VCC), e um potencial mais positivo é aplicado ao terminal base em relação ao terminal emissor (VBE).
Na região ativa, os elétrons fluem do emissor para o coletor em um transistor NPN, resultando em uma corrente convencional fluindo do coletor para o emissor quando uma pequena corrente flui da base para o emissor.
Um transistor PNP é formado imprensando uma região do tipo N entre duas regiões do tipo P. Os buracos são os portadores majoritários. Para operar um transistor PNP na região ativa, uma tensão negativa é aplicada ao coletor (VCC) e mais potencial negativo é aplicado ao terminal base em relação ao terminal emissor (VBE).
Na região ativa, os buracos fluem do emissor para o coletor em um transistor PNP, resultando em uma corrente convencional fluindo do emissor para o coletor quando uma pequena corrente flui do emissor para a base.
Os transistores NPN são mais fáceis de fabricar e normalmente apresentam melhores características de desempenho, como maior ganho de corrente (β). Eles são frequentemente usados em aplicações de comutação do lado inferior, circuitos de amplificação e como componentes ativos em portas lógicas digitais.
Os transistores PNP são menos comuns que os BJTs NPN, mas são essenciais para certas configurações de circuito. Eles são usados quando o projeto do circuito necessita de uma polaridade diferente ou quando a tensão da fonte de alimentação é negativa em relação à referência de aterramento. Os transistores PNP são frequentemente usados em aplicações de comutação no lado alto, controle de motores e como componentes ativos em portas lógicas digitais complementares.
Em algumas aplicações, os BJTs NPN e PNP são usados juntos em uma configuração de par complementar. Este emparelhamento permite amplificação e comutação de sinais positivos e negativos, tornando-os adequados para aplicações como amplificadores push-pull e amplificadores de potência de simetria complementar.
Três configurações de BJT
O BJT possui um lado de entrada e um lado de saída quando conectado em um circuito. Um dos terminais do transistor permanece comum entre a entrada e a saída.
Existem três configurações possíveis para conectar um transistor em um circuito.
1. Configuração de base comum (CB): a base do transistor é comum entre os lados de entrada e saída do transistor. A entrada é aplicada no terminal emissor e a saída é conectada ao terminal coletor. Esta configuração não é tão comum quanto a configuração CE, mas é usada em algumas aplicações especializadas, como amplificadores de alta frequência.
Nesta configuração, o sinal de saída está em fase com o sinal de saída. O CB oferece ganho de corrente, pois uma pequena alteração na corrente do emissor resulta em uma alteração maior na corrente do coletor. O ganho de tensão permanece menor que '1', portanto a tensão de saída é menor que a tensão de entrada. A configuração apresenta baixa impedância de entrada e alta impedância de saída. É por isso que é usado para casamento de impedância em vez de amplificação de tensão.
2. Configuração de emissor comum (CE): o emissor é o terminal comum entre os lados de entrada e saída. A entrada é aplicada à base e o coletor obtém o sinal de saída. Esta é a configuração mais comum para BJT.
Nesta configuração, o sinal de saída está 180 graus fora de fase em relação ao sinal de entrada. CE oferece ganho de alta tensão e amplificação moderada de corrente. A impedância de entrada é moderada, enquanto a impedância de saída é relativamente alta. Como a configuração de emissor comum oferece amplificação de tensão e potência, ela é usada em amplificadores de áudio e circuitos de processamento de sinal.
3. Configuração de coletor comum (CC): o coletor é o terminal comum entre os lados de entrada e saída. A entrada é aplicada no terminal base e o sinal de saída é obtido no terminal coletor. Esta configuração também não é tão comum quanto a configuração CE.
Na configuração CC, a saída está em fase com o sinal de entrada e segue de perto o sinal de entrada com apenas uma ligeira queda de tensão. No entanto, esta configuração ainda oferece alto ganho de corrente e é comumente usada em amplificadores de corrente. A configuração apresenta alta impedância de entrada e baixa impedância de saída.
Polarização de transistor
Polarizar um transistor refere-se ao processo de definir as condições de operação DC do transistor para que ele opere em uma região operacional definida, ativa, saturação ou corte. Para amplificação, o transistor deve operar na região ativa. Para atuar como chave em um circuito, o transistor deve operar nas regiões de corte e saturação.
A polarização envolve definir o ponto quiescente (ponto Q) ou de operação do transistor. Este ponto define os níveis de tensão e corrente CC quando nenhum sinal CA é aplicado. O ponto Q é essencial para garantir que o transistor opere dentro de sua região linear ativa para aplicações de amplificação ou comutação.
Quando polarizada para operar na região ativa, a polarização mantém a estabilidade do transistor e evita que ele entre em saturação ou corte quando sujeito a diversas condições ambientais ou variações de sinal. Garante que o transistor permaneça na região linear necessária para amplificação.
O processo normalmente envolve a seleção de valores apropriados de resistor e fontes de tensão CC no circuito do transistor para definir a corrente de base do transistor e estabelecer a corrente do coletor nos níveis desejados. É importante considerar vários fatores, incluindo as características do transistor, as variações de temperatura e as características de saída desejadas.
Existem várias técnicas de polarização usadas em transistores de junção bipolar, como polarização fixa, polarização de emissor, polarização de divisor de tensão, seguidor de emissor e realimentação de coletor.
Um circuito
Quando um transistor é conectado em um circuito, a polarização adequada é a primeira coisa que deve ser abordada. Se o transistor for usado para amplificação ou comutação de altas correntes, um dissipador de calor adequado deve ser usado para evitar qualquer dano térmico.
Em aplicações de comutação, o BJT também pode exigir proteção contra picos de tensão e correntes reversas usando diodos flyback ou outras técnicas.
Formulários
Os BJTs são usados em uma variedade de aplicações em eletrônica. Algumas das aplicações comuns são as seguintes.
Amplificação: Os BJTs são comumente usados para amplificação de corrente ou potência. Eles podem amplificar sinais de entrada fracos, tornando-os mais fortes e adequados para processamento ou transmissão posterior. As aplicações típicas de amplificadores para BJTs incluem amplificadores de áudio, amplificadores de RF (radiofrequência) e amplificadores de instrumentação.
Troca: Os BJTs são excelentes interruptores eletrônicos. Quando devidamente polarizados e levados à saturação (estado LIGADO) ou corte (estado DESLIGADO), eles podem controlar o fluxo de cargas de alta corrente. Isso torna os BJTs ideais para aplicações como portas lógicas digitais, interruptores de potência e controladores de modulação por largura de pulso (PWM).
Amplificação de tensão: Os BJTs são usados para construir circuitos amplificadores operacionais (op-amp), que fornecem ganho de alta tensão e são essenciais em diversas aplicações de processamento de sinais analógicos, como amplificadores, filtros e instrumentação.
Aplicações de áudio: Os BJTs têm uma excelente capacidade de amplificar sinais de áudio com precisão. É por isso que eles são frequentemente usados em aplicações de áudio, como pré-amplificadores de microfone, amplificadores e equalizadores.
Aplicações de RF: BJTs, como amplificadores e mixers de RF, são comumente usados em circuitos de RF. Eles processam e amplificam sinais de alta frequência para comunicação e transmissão sem fio.
Processamento de sinal: Os BJTs são usados em circuitos de processamento de sinais, como filtros e moduladores de sinais. Eles ajudam a moldar, filtrar ou modificar sinais em aplicações como processamento de áudio, sistemas de comunicação e circuitos de equalização.
Portas lógicas digitais: Embora os FETs sejam mais comumente usados em circuitos lógicos digitais hoje, os BJTs têm sido historicamente usados para construir portas lógicas como portas NOT, AND, OR e NAND.
Regulação de tensão: Os BJTs podem ajudar a manter uma tensão de saída estável, independentemente das variações na tensão de entrada ou nas condições de carga. É por isso que os BJTs são usados em circuitos reguladores de tensão.
Fontes e sumidouros atuais: Os BJTs podem ser usados para criar fontes ou sumidouros de corrente precisos. Eles são úteis para polarizar outros transistores ou fornecer correntes de referência estáveis para sensores e circuitos de medição.
Detecção de luz: Os fototransistores são um tipo especializado de BJT, usados em sensores de luz, interruptores ópticos e detectores para converter luz em sinais elétricos.
Sensor de temperatura: Os BJTs são usados como sensores de temperatura em circuitos de compensação de temperatura.
Oscilação: Os BJTs são componentes vitais em circuitos osciladores, que geram formas de onda periódicas. Osciladores são usados em rádios, geradores de sinais e relógios para produzir sinais de frequência precisos e estáveis.
Controle motor: Os BJTs acionam motores e controlam sua velocidade e direção em circuitos de controle de motores. Esses circuitos de transistor são usados em robótica, veículos elétricos e aplicações de automação industrial.
O transistor de junção bipolar é um dispositivo eletrônico versátil. Engenheiros e projetistas contam com BJTs para executar diversas funções, desde amplificação de sinal até controle de potência, tornando-os essenciais em muitos dispositivos e sistemas eletrônicos.
BJTs comerciais
Os transistores de junção bipolar são dispositivos eletrônicos versáteis usados em muitas aplicações eletrônicas. Existem muitos tipos de BJTs comerciais disponíveis no mercado.
Engenheiros e projetistas de circuitos escolhem o tipo apropriado com base nos requisitos específicos de seus circuitos e aplicações, considerando fatores como tensão, corrente, frequência, capacidade de manipulação de energia e necessidades específicas do circuito.
Alguns dos tipos mais comuns de BJT comercial são os seguintes.
1. BJTs NPN/PNP de pequeno sinal: transistores de uso geral usados para amplificação de pequenos sinais e aplicações de comutação. Os exemplos incluem transistores 2N3904 (NPN), BC547 (NPN), 2N3906 (PNP) e BC557 (PNP).
2. BJTs de alta frequência: operam em altas frequências e são frequentemente usados em amplificadores de radiofrequência (RF) e outras aplicações de alta frequência. Os exemplos incluem transistores 2N2222 (NPN), 2N3866 (NPN), 2N2369 (NPN), 2N2907 (PNP) e 2N5179 (PNP).
3. BJTs RF de alta frequência: otimizado para aplicações de frequência extremamente alta, como amplificadores de microondas e sistemas de comunicação. Os exemplos incluem transistores 2N3866 (NPN), 2N5109 (NPN), 2N2219A (NPN), 2SC3355 (NPN), 2N2907A (PNP) e 2SC2999 (PNP).
4. Poder BJTs: capaz de lidar com níveis mais elevados de corrente e potência. Eles são usados em amplificadores de potência, reguladores de tensão e aplicações de comutação de alta corrente. Exemplos são os transistores de potência 2N3055 (NPN), MJE13009 (NPN), BD139 (NPN), TIP31 (NPN), MJ2955 (PNP), 2N6107 (PNP), 2SA1943 (PNP) e TIP32 (PNP).
5. BJTs de alta tensão: suportam níveis de tensão mais altos e são usados em aplicações que exigem amplificação ou comutação de alta tensão. Os exemplos incluem transistores 2N3773 (NPN) e MJ10012 (PNP).
6. BJTs de baixa potência: operam em baixos níveis de energia, tornando-os adequados para aplicações alimentadas por bateria ou com eficiência energética. Exemplos são 2N3904 (NPN), 2N2222 (NPN), PN2222 (NPN), 2N4401 (NPN), BC547 (NPN), BC109 (NPN), 2N3906 (PNP), 2N2907 (PNP), PN2907 (PNP), 2N4403 (PNP). ), transistores BC557 (PNP) e BC179 (PNP).
7. BJTs de alto ganho: têm ganho de corrente (β) extremamente alto e são usados em aplicações onde a amplificação do sinal é crítica, como circuitos de RF de alta frequência. Alguns exemplos incluem transistores 2N3904 (NPN) e BC547 (NPN).
8. BJTs de Darlington: consistem em dois BJTs conectados em série, proporcionando ganho de corrente (β) muito alto, e são utilizados em aplicações que requerem alta amplificação de corrente, como drivers de potência. Os exemplos incluem os transistores Darlington TIP120 (NPN), TIP122 (PNP) e TIP125 (PNP).
9. Troca de BJTs: projetado para aplicações de comutação rápida, frequentemente usado em circuitos digitais e aplicações de modulação por largura de pulso (PWM). Os exemplos incluem transistores 2N2369 (NPN), 2N3906 (NPN), 2N4401 (NPN), 2SC945 (NPN) e 2SC945 (PNP).
10. BJTs de baixo ruído: projetado para ter características de ruído mínimo e usado em circuitos eletrônicos sensíveis, como amplificadores de baixo ruído para receptores de rádio. Exemplos são os transistores 2N2222A (NPN), 2N4403 (NPN), 2N5109 (NPN), BC549C (NPN), BC550C (NPN), 2N3906 (PNP), BC560C (PNP), 2N4401 (PNP) e BC560C (PNP).
11. BJTs de áudio: projetado para aplicações de amplificação de áudio, como amplificadores e pré-amplificadores de áudio. Eles apresentam características de baixo ruído e baixa distorção. Exemplos são 2N3904 (NPN), 2N4401 (NPN), 2N2222A (NPN), KSC1845 (NPN), BC546B (NPN), BC547C (NPN), 2N3906 (PNP), 2N4403 (PNP), 2N2907A (PNP), KSA992 (PNP). ), transistores BC556B (PNP) e BC560C (PNP).
12. Fototransistores: sensível à luz e comumente usado em aplicações optoeletrônicas, como detectores de luz e interruptores ópticos. Exemplos são os transistores TEPT5700 (NPN), PT334-6C (NPN), PT204-6B (NPN), BPW34 (NPN), TSHA4400 (PNP), TIL194 (PNP) e PT138 (PNP).
BJTs com compensação de temperatura: fornecem desempenho estável em uma ampla faixa de temperatura e são usados em aplicações onde as variações de temperatura são uma preocupação.
BJTs de montagem em superfície (SMD): disponíveis em pacotes compactos de montagem em superfície, tornando-os adequados para técnicas modernas de montagem de PCB.
