Eletrônica em Casa: Transistor Bipolar

Em novembro de 1947, os cientistas do laboratório da Bell Telephone descobriram o transistor. O transistor é um dispositivo semicondutor que é constituído por materiais do tipo N e do tipo P. Os terminais dos transistores são indicados pelas as letras E para emissor, C para coletor e B para base. Esses componentes são chamados de TBJ (Transistor Bipolar de Junção).

Introdução

Entre 1904 e 1947 a válvula foi o dispositivo eletrônico de maior interesse de desenvolvimento. Em novembro de 1947, os cientistas Walter H. Brattain e Jonh Bardeen do laboratório da Bell Telephone descobriram o transistor. Eles verificaram que quando aplicada certa tensão a um dos terminais do componente, o sinal que saía no outro terminal era amplificado [1]. Os transistores consome uma menor quantidade de energia e possui tamanho reduzidos em relação as válvulas.

O transistor é um dispositivo semicondutor que é constituído em duas camadas de material tipo N e uma camada tipo P ou duas do tipo P e uma do tipo N (Figura 1). Os terminais dos transistores são indicados pelas as letras E para emissor, C para coletor e B para base. Esses componentes são chamados de TBJ (Transistor Bipolar de Junção) [2].

Figura 1 - Tipo de transistores PNP (esquerda) e NPN (direita) [3]

Características Construtivas dos Transistores Bipolar

A camada emissora é fortemente dopado, com grande número de portadores de carga. O nome emissor vem da propriedade de emitir portadores de carga. A base tem uma dopagem média e é muito fina, não conseguindo absorver todos os portadores emitidos pelo emissor. O colector tem uma dopagem leve e é a maior das camadas, sendo o responsável pela coleta dos portadores vindos do emissor [4].

As camadas externas possuem larguras muito maiores do que a camada interna do tipo P ou N (Razão entre a largura total e a largura da camada central é de 150:1). Da mesma forma que nos diodos, são formadas barreiras de potencial nas junções das camadas P e N. O comportamento básico dos transistores em circuitos eletrônicos é fazer o controle da passagem de corrente entre o emissor e o coletor através da base. Para isto é necessário polarizar corretamente as junções do transistor.

Funcionamento dos Transistores

O funcionamento básico dos transistores é bem descrito em função da polarização dos seus terminais, pois necessitamos polarizar diretamente os terminais EB e reversamente os terminais BC.

Para melhor entendermos os efeitos das polarizações nas junções N e P, analisaremos de forma separada os terminais EB e BC (Figura 1 e 2). Observer a seguir a polarização direta do Emissor e Base no transistor PNP (transistor com sequência de material semicondutor P+N+P),(Figura 1).

Figura 1 - Polarização direta da junção P-N [2].

Pode-se notar um efeito semelhante de polarização a do diodo, discutido anteriormente em “Como Funciona o Diodo”. A região de depleção entre as junções teve seu tamanho reduzido devido à tensão direta aplicada, resultando em um fluxo denso de portadores majoritários do material do tipo P para o do tipo N (Figura 1). Já para a polarização revessa, entre B e C, pode ser observada na Figura 2. Nesta situação o fluxo de portadores majoritários é zero, resultando em apenas em um fluxo de portadores minoritários. Neste caso temos um aumento da região de depleção.

Figura 2 - Polarização reversa da junção N-P [2].

De forma geral um transistor funcionará corretamente (de forma ligada) quando uma junção P-N, entre o terminal Emissor e Base, for polarizada diretamente enquanto que a outra junção N-P (Base e Coletor) for reversamente.

Figura 3 - Fluxo de portadores majoritários e minoritários [2].

Quando polarizamos diretamente os terminais EB e reversamente os terminais BC de forma simultânea ocorre um fluxo de portadores entre o Emissor e o Coletor, pois o material do tipo N é muito fino, portanto muitos dos portadores majoritários passarão para o material tipo P seguinte e uma quantidade (Ib) pequena vai para o terminal de base (Figura 3).

Para entendermos essa corrente entre o Emissor e Coletor devemos nos lembramos de que para um diodo polarizado reversamente (Terminais Base e Coletor) os portadores majoritários serão como portadores minoritários no material tipo N. Ou seja, houve uma injeção de portadores minoritários no material tipo N da base [2].

Figura 4 - Funcionamento do transistor [ 5 ]

Se aumentarmos a corrente que flui na base do transistor aumentamos por consequência a corrente que flui entre Emissor e Coletor. Podemos controlar a corrente que atravessa o transistor através da corrente de Base. Existe uma amplificação da corrente de Base para a corrente de Coletor que é dada por um fator Beta. Ic=B*Ib, onde Beta é o ganho do transistor e pode ser encontrado nas folhas de datasheet do componente.