Universidade Federal de ItajubáInstituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação

Engenharia da Computação

ELT303 – Eletrônica Analógica I

Transistores Bipolares(Introdução)

Prof. Paulo César Crepaldi Prof. Leonardo B. Zoccal

Universidade Federal de ItajubáInstituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação

Engenharia da Computação

Atenção

O material constante destas notas de aula foi preparado com base na bibliografia recomendada e destina-se a servir como um apoio ao

acompanhamento da disciplina.

Em alguns slides são utilizados recursos coletados da INTERNET e considerados de domínio público.

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Transistores Bipolares: Introdução

Os transistores bipolares são dispositivos de 3 terminais que podem atuar tanto em circuitos analógicos (normalmente que envolvem a amplificação do sinal) quanto em circuitos digitais. Pelo fato de apresentar um terminal adicional em

relação aos diodos, por exemplo, oferecem um mecanismo que permite controlar a corrente entre dois terminais a partir de um terminal de controle. Podem ser fabricados como dispositivos discretos ou fazer parte de um circuito integrado

que pode conter até milhares destes elementos. Os conceitos desenvolvidos para a junção PN serão fundamentais para a análise deste dispositivo. Desenvolvido por Bardeen, Brattain e Shockley em 1947 representou uma grande revolução na indústria eletrônica. Os conceitos aqui analisados e desenvolvidos são muito

importantes por servirem de base (ainda que de forma qualitativa) de estudo para um outro grupo de dispositivos que também provocaram um grande

impacto na indústria eletrônica que são os Transistores de Efeito de Campo (FETs).

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Transistores Bipolares: Estrutura e Modos de OperaçãoA figura a seguir ilustra, de forma simplificada, a estrutura de um transistor bipolar. Algumas literaturas referem-se a este dispositivo como Transistor Bipolar de Junção

(BJT – Bipolar Junction Transistor).

John Bardeen (1908-1991)

Walter Houser Brattain (1902-1987)

Os terminais são nominados de Emissor, Base e Coletor. Observar que as dopagens e os

tamanhos dos cristais são diferentes e que existem duas junções PN; junção Base-Emissor (JBE) e

Junção Base-Coletor (JBC).

N+ P- N

Emissor Coletor

Base

JBCJBE

(E) (C)

(B)

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Transistores Bipolares: Estrutura e Modos de Operação

A região do Emissor é fortemente dopada (N+) enquanto que a região da Base e fisicamente estreita e fracamente dopada (P-). O Coletor é a região que apresenta o maior

volume de silício e tem uma dopagem típica.Os terminais conectam-se a estas regiões através de

contatos ôhmicos. O dispositivo ilustrado anteriormente é dito ser NPN em função do tipo de dopagem dos seus cristais. Também existe a possibilidade de fazer um

transistor do tipo PNP. As diferenças entre eles serão discorridas ao longo do texto. Para efeito de análise das

características elétricas será considerado o transistor NPN.A junção JBE também é chamada de diodo emissor e a

junção JBC de diodo coletor.

“The only regret I have about the transistor is its use for rock and roll “W. H. Brattain

Primeiro Transistor (1947)

The Point-Contact TransistorThe first point-contact transistor consisted of a germanium crystal placed on a metal plate.

The germanium was of n-type with a so-called p-type inversion layer. Pressing down on this crystal was a plastic wedge, which was kept in place by a modified paper clip. On this

wedge a thin gold foil, cut in two halves with a razor blade, had been cemented. The slit was very important to be able to make this point-contact device to work.

6

Transistores Bipolares: Estrutura e Modos de OperaçãoExistem 4 possibilidades de polarização (Modos de Operação ou Regiões de

Operação) considerando-se as junções JBE e JBC.

Regiões de Operação do BJT

Modo de Operação

JBE

(Diodo Emissor)JBC

(Diodo Coletor)

Saturação Direta Direta

Corte Reversa Reversa

Ativa ou Linear Direta Reversa

Inverso Reversa Direta

Em circuitos analógicos (principalmente em amplificadores) a região ativa é a mais usada. Em circuitos digitais o transistor opera no corte ou saturação passando rapidamente através da região ativa. O modo inverso é o menos usual de todos.Observar que estando na região de corte, o transistor tem 2 junções polarizadas

reversamente o que significa, idealmente, uma chave aberta. Já na região de saturação ele tem 2 junções polarizadas diretamente o que representa, também idealmente, uma

chave fechada. Existem transistores de sinal (baixa potência) e transistores de potência.

Chave Fechada

Chave Aberta

Aplicações

Digitais

Aplicações Analógicas

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Transistores Bipolares: PolarizaçãoInicialmente, será estabelecido uma topologia que permita a polarização do

transistor na região ativa. Para tanto estão representadas duas fontes de tensão (VEE e VCC) que podem ser equivalentes Thévenin de circuitos mais complexos.

Mais adiante serão detalhados circuitos específicos que tem a responsabilidade de polarizar o transistor para que ele atue na região de interesse. A presença de

resistores nos terminais de Emissor e Coletor faz com que se tenha algum tipo de limitação de corrente. Os sentidos das correntes ilustrados no circuito externo (IE, IC e IB) é convencional. Na estrutura do transistor, as setas em azul indicam o fluxo

de elétrons e as setas em vermelho de lacunas.

E

IEN

IEPICBO

IREC

+-+-

VCCVEE

C

B

ICIE

IB

IEN - IREC

X

8

Transistores Bipolares: A Ação Transistor

Como conseqüência da polarização direta da JBE (a largura da região de depleção foi diminuída), elétrons são difundidos do Emissor para a Base

(corrente IEN – ilustra o movimento real dos elétrons) e lacunas são difundidas da Base para o Emissor (IEP – ilustra o movimento real das lacunas). Existe, então uma corrente de Emissor (IE – no terminal correspondente) que será a

soma destas duas correntes.Maior atenção deve ser dada a corrente IEN. Ao penetrar na Base estes elétrons

encontram uma região P em que os portadores majoritários são lacunas e, portanto, deverão sofrer um processo de recombinação. Contudo, esta

recombinação é pequena porque a Base é fracamente dopada e, além disto, é fisicamente estreita. Esta pequena corrente é chamada de corrente de

recombinação (IREC) e contribuirá para a corrente total da Base (IB – no terminal correspondente).

Capturados pelo campo elétrico presente na JBC (a largura da região de depleção foi aumentada) os elétrons são acelerados em direção ao coletor. Juntamente com a corrente reversa (ICBO) presente nesta junção irão compor a corrente de

Coletor (IC – no terminal correspondente)..

9

Transistores Bipolares: A Ação TransistorMatematicamente, estas correntes podem ser expressas:

X)(pontoIIIKCL:porIIIIIIII

III

CBE

CBORECEPB

CBORECENC

EPENE

Algumas aproximações podem ser feitas. Como

o Emissor é fortemente dopado e a Base fracamente dopada tem-se que IEN >> IEP.

CBOENDCB

CBOENDCC

ENDCRECEN

CBORECENC

EPENENE

IIα1IIIαI.IαIIIIIIIIII

Aproximações

O parâmetro aDC quantifica a quantidade de portadores que, emitidos do emissor,

efetivamente chegaram ao coletor. Portanto, é um número menor que 1. Tipicamente entre

0,95 e 0,998.Além disto, ICBO e IREC são correntes com ordens de

grandeza muito pequenas se comparadas com as outras correntes e aproximações adicionais podem

ser feitas. O objetivo final é manter os equacionamentos apenas em função das correntes

nos terminais.

EDCB

EDCC

Iα1IIαI

Ação Transistor

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Transistores Bipolares: A Ação Transistor

Os resultados das equações anteriores estão em consonância com os aspectos físicos da ação transistor, ou seja, o fluxo de corrente produzido no Emissor chega

praticamente em sua totalidade ao Coletor. Para a ação transistor ser efetiva é fundamental que a base seja estreita e pouco dopada. Esta ação seria impossível de

ser alcançada se, no laboratório, se unissem, por exemplo, dois diodos. Mesmo estando “próximos” um do outro, esta distância ainda seria muito maior que a

largura da Base (WB) de um transistor. WB, na prática, situa-se na casa de algumas unidades a algumas dezenas de mm. Com uma largura de Base muito grande haveria

uma grande probabilidade para que os portadores emitidos pelo Emissor se recombinassem em sua totalidade. Esta corrente, praticamente constante, é

transferida de um circuito de baixa resistência (JBE polarizada diretamente) para um circuito de alta resistência (JBC polarizada reversamente). Justifica-se, assim o nome:

TRANFER RESISTOR = TRANSISTOR

Transistor"small electronic device," 1948, from transfer + resistor, so called because it transfers an electrical current across a resistor. Said to have been coined by U.S. electrical engineer John Robinson Pierce (1910-2002) of Bell Telephone Laboratories, Murray Hill, N.J., where the device was invented in 1947. It that took over many functions of the vacuum tube. Transistor radio is first recorded 1958.

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Transistores Bipolares: Porque ICBO

Sem polarização em JBE e medindo-se a corrente de coletor (IC) o que se verifica é

uma “corrente entre coletor e base com o emissor aberto (open)”, ou seja, a própria corrente reversa que está sendo produzida

na JBC. Daí o termo ICBO.Lembrar que, por se tratar de uma corrente

reversa, ela aproximadamente dobra de valor para cada 100C de aumento na

temperatura. Para transistores de sinal seu valor é da ordem de nA.

E

ICBO

+-+-

VCCVEE

C

B

IC = ICBOIE

IB

X

"OPEN"Avaliação de ICBO

Variação ICBO com a temperatura

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Transistores Bipolares: O Parâmetro bDC

É mais comum expressar uma relação entre as correntes IC e IB. Esta relação nos dá a idéia que o dispositivo tem a sua corrente de Coletor (que é praticamente

igual a corrente de Emissor) controlada pela corrente de Base. Veja que o terminal de controle (Base) consome pouca corrente e é capaz de interferir em uma

corrente muito maior. Pensando em uma função de transferência, a corrente de Coletor é considerada uma grandeza de saída e a corrente de Base uma grandeza

de entrada.

BDCC IβI Naturalmente, o parâmetro bDC mantém uma dependência matemática com o parâmetro aDC uma vez que equacionam

correntes que interagem entre si:

Relação entre os parâmetros aDC e bDC

1ββα

IIe

α1αβ

II

Iα1IαIIIIα1Iα1I

DC

DCDC

E

C

DC

DCDC

B

C

CDCBDCBB

BCDCEDCB

Se aDC varia, tipicamente, entre 0,95

e 0,998, então bDC varia, tipicamente, entre 20 e 500.

Também pode aparecer na literatura como bF e nas folhas de dados como

hFE (Adendo 1)

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Transistores Bipolares: Outras Considerações Importantes

Os terminais recebem os nomes de acordo com a função que a respectiva região realiza. O terminal do Emissor representa a região responsável pela emissão dos portadores majoritários que irão constituir a corrente IE. O terminal do Coletor representa a região que recebeu (coletou) estes portadores. A Base, por sua vez, tem seu nome relacionado com os primeiros dispositivos que foram construídos. Esta região servia como um suporte (uma base) para as outras duas regiões.

Os aspectos qualitativos aqui descritos são aplicados ao transistor PNP. Basta inverter os sentidos das correntes e das tensões, pois, fisicamente, a corrente de transferência entre Emissor e Coletor passa a ser uma corrente de lacunas.

O nome bipolar sugere que na operação do dispositivo estão envolvidos, obrigatoriamente, os dois tipos de portadores de carga presentes nos materiais semicondutores (elétrons e lacunas).

O material semicondutor mais utilizado na fabricação dos transistores bipolares é o silício.

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Os sentidos das correntes são convencionais e as diferenças de potencial indicam a condição de operação na região ativa. JBE está polarizada diretamente (para o NPN

a Base é mais positiva que o Emissor e para o PNP a Base é mais negativa que o Emissor). JBC está polarizada reversamente (para o NPN o Coletor é mais positivo que a Base e para o PNP o Coletor é mais negativo que a Base). VCE (VEC) sempre

será a soma destas duas tensões.Observar que a seta presente que representa o terminal do Emissor é um indicativo

do fluxo de corrente convencional nesta região. No NPN indica um fluxo de elétrons do Emissor para a Base e no PNP um fluxo de lacunas do Emissor para a

Base.

Transistores Bipolares: Simbologia

IE

IB

IC

VCE

+

_

+_

+_VBE

VCBIE = IC + IB

VCE = VBE + VCB

IE

IB

IC

VEC

_

+

_

+_

+VEB

VBCIE = IC + IB

VEC = VEB + VBC

Símbolo Transistor NPN Símbolo Transistor PNP

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Transistores Bipolares: Encapsulamento

Diferentes tipos de Encapsulamento para os Transistores Bipolares

CuriosidadeEm Dezembro de 2007 foi comemorado o aniversario de 60 anos da invenção do transistor. Em 23 de Dezembro de 1947 o primeiro

transistor foi colocado em funcionamento, sendo considerado como o marco-zero de todas as tecnologias atuais. Com o desenvolvimento do transistor foi possível substituir de uma maneira eficiente os dispositivos eletromecânicos e as válvulas

eletrônicas, até então empregadas na fabricação de equipamentos. Isto foi viável graças aos avanços proporcionados pela física moderna, em particular pela formulação da mecânica quântica e o posterior desenvolvimento da chamada física do estado sólido,

que possibilitou a compreensão dos processos envolvidos no transporte de cargas elétricas em materiais semicondutores. Os responsáveis por tal feito foram John Bardeen, Willam Shockley e Walter Brattain, que trabalhavam nos Laboratórios da Bell

Company (Murray Hill, NJ USA), sendo agraciados com o premio Nobel de Física em 1956. O físico John Bardeen, que foi aluno de Eugene Wigner (Nobel em Física 1963), foi também um dos responsáveis pelo desenvolvimento da teoria da supercondutividade (BCS) sendo novamente agraciado com o premio Nobel de Física em 1972, juntamente com seu orientando John Schrieffer e seu

colaborador Leon Cooper, enquanto trabalhava na Universidade de Illinois. Outro estudante ilustre de Bardeen foi Nick Holonyak, responsável pela criação do primeiro diodo emissor de luz (LED) em 1962, também na Universidade de Illinois.

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Transistores Bipolares: Curvas CaracterísticasPor ser um dispositivo de três terminais, o transistor bipolar apresenta uma série de

combinações envolvendo as suas correntes e potenciais.Para o projetista, as relações mais importantes são as citadas a seguir, ou seja, as

características de entrada e de saída em Emissor Comum.

A configuração Emissor Comum (EC) caracteriza-se por ter o

terminal do Emissor comum às malhas de entrada e de saída.IB

IE

IC

VBE

VCB

+

-

+

-

-

+

+

-

+

-

VCC

VBB

VCE

RB

RC

I

II

CCCECC

BBBEBB

RIVVIISaídadeMalha

RIVVIEntradadeMalha

Configuração Emissor Comum (EC)

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Transistores Bipolares: Curvas CaracterísticasNa configuração Emissor Comum tem-se uma grandeza de saída (IC) controlada por

uma grandeza de entrada (IB) sendo a relação entre elas o parâmetro b.Em outras palavras, o transistor bipolar é uma fonte de corrente controlada por

corrente: IC = b.IB

As características mais importantes dizem respeito à malha de entrada (I) e à malha de saída da configuração Emissor Comum (I).

Para a malha de entrada tem-se as Características de Entrada e para a malha de saída tem-se as Características de Saída ( também chamadas de curvas de coletor).

Para se traçar estas curvas características, é necessário um critério em manter uma terceira variável constante. Nas curvas de entrada mantém-se VCE constante e, nas

curvas de saída, IB constante.Matematicamente:

cteVBEB

CEVfI

cteICECB

VfI

Característica de Entrada Característica de Saída (Curvas de Coletor)

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0V 0.2V 0.4V 0.6V 0.8V 1.0V0A

IB

VBE

VCE = 20V

VCE = 10V

VCE = 1V

20A

40A

60A

80A

100A

Transistores Bipolares: Característica de EntradaA seguir estão reproduzidas as curvas de entrada para um transistor bipolar de sinal

(baixa potência). O nível de corrente da Base é de algumas dezenas de A.

Observar que, em uma primeira aproximação, a tensão necessária para “ligar” o diodo emissor (junção JBE) é de aproximadamente 700mV (BJT de silício) e que o impacto da variação na tensão VCE pode ser desprezado. Muito semelhante a uma

curva característica de um diodo semicondutor.

Característica de Entrada:IB=f(VBE)|VCE=cte

Atenção: Algumas folhas de dados colocam IC no eixo y ao invés de IB.

Lembrar que a relação entre elas é βDC, o que implica em mudar apenas a ordem

de grandeza das correntes.

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0V 5V 10V 15V 20V

0A

2mA

4mA

6mA

8mA

10mA

12mA

IC

VCE

IB = 0 A

IB = 10 A

IB = 20 A

IB = 30 A

IB = 40 A

IB = 50 A

Região de Saturação VCE ≈ 0Região Ativa ou

LinearVBE 0,7V

IC = b.IB

Região de Corte IC ≈ 0

=

Transistores Bipolares: Curvas de ColetorAs curvas de coletor também estão traçadas para um BJT de sinal. Observar a

ordem de grandeza da corrente de coletor em dezenas de mA (podendo chegar a centenas de mA) e a tensão VCE em dezenas de V. Destacam-se os modos de

operação.

Curvas de Coletor: IC=f(VCE)|IB=cte

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Curvas Características: Exemplos (BC546)

Atenção: Característica de Entrada (IC=f(VBE)) em escala

LOG para o eixo das correntes.

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Curvas Características: Observações Importantes

As curvas de IC na Região Ativa apresentam uma inclinação crescente à medida em

que VCE aumenta. Este efeito é chamado “Efeito Early” e é discutido mais a seguir;

A Região de Saturação caracteriza-se por apresentar VCE próximo de zero (junções

JBE e JBC polarizadas diretamente). Assim, em uma primeira aproximação, o transistor saturado será uma chave fechada entre Coletor e Emissor. Usa-se a

notação VCE(SAT) para a tensão de saturação. Seu valor prático é da ordem de dezenas a centenas de mV;

A Região de Corte caracteriza-se por apresentar IC próximo de zero (junções JBE e

JBC polarizadas reversamente). Será, portanto, uma chave aberta entre Coletor e Emissor;

Na Região Ativa (junção JBE polarizada diretamente e junção JBC polarizada reversamente), o comportamento do transistor é de uma fonte de corrente

controlada por corrente (IC = b.IB).

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Curvas de Coletor: Corrente ICEO

Estando o transistor cortado, IC deveria ser zero. Contudo é necessário incluir a contribuição da corrente reversa ICBO. Existe um fenômeno multiplicativo desta corrente na configuração Emissor Comum e ela passa a ser ICEO (corrente entre Coletor e Emissor

com a Base aberta). Seu valor situa-se na faixa de algumas unidades a dezenas de mA para transistores de sinal.

CBODCCEOCB

CBODCBDCC

DC

CBO

DC

BDCC

CBOBCDCC

CBOEDCC

I1βII0Ip/I1βIβI

α1I

α1IαI

IIIαIIIαI

Equacionamento para ICEO

Estrutura Real de um Transistor de Potência. Observar a ordem de grandeza das estruturas (micrometros).

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O Coletor do transistor atua como uma fonte de corrente real, ou seja, existe uma resistência interna

associada (RO). Por se tratar de uma fonte de corrente,

o valor de RO normalmente é alto (dezenas a centenas de KW). A inclusão deste resistor torna o modelamento

das curvas de coletor mais preciso. Observar que se VCE aumenta, temos uma contribuição adicional de

corrente em IC através do caminho oferecido por RO.

Curvas de Coletor: O Efeito EarlyEstando o transistor polarizado na região ativa (JBE polarizada diretamente e JBC

reversamente) tem-se VBE 0,7V. Então, VCB = VCE – 0,7V.Aumentar a tensão VCE significa, então, aumentar a tensão VCB e como conseqüência aumentar a largura da região de depleção da JBC. Como a Base é fisicamente estreita, um aumento da largura da região de depleção fará com que a largura efetiva da Base

diminua. Tendo diminuído a largura efetiva da Base, tem-se uma menor probabilidade de recombinação para os portadores que estão vindo do Emissor e,

como conseqüência, um maior número deles atinge o Coletor.Se um maior número de portadores atinge o Coletor, IC aumenta. Portanto de VCE

aumenta, IC aumenta.

James M. Early (1922-2004) VBE 0,7V

IB

IC

bDC.IB

IE

+

-

RO

≈

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VBE 0,7V

IB

IC

bDC.IB

IE

+

-

Transistor na Região Linear(Modelo de Ebers-Moll)JBE "ON" JBC "OFF"

Transistor no CorteJBE "OFF" JBC "OFF"

Transistor na SaturaçãoJBE "ON" JBC "ON"

VBE 0,7V

IB

IC

IE

+

-

VCB 0,7V

+

-

VCE 0 IB

IC 0

IE

Modos de Operação: Modelos SimplificadosCom base no que foi exposto até agora é possível estabelecer modelos elétricos

(usando elementos de circuitos) para as regiões de operação do BJT. As regiões de saturação e corte são modeladas através de chaves enquanto a região ativa é representada por um diodo semicondutor (diodo emissor) e por uma fonte de

corrente. O modelo na região ativa recebe o nome de Ebers-Moll.

Modelos para as regiões de operação do BJT

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Modelo de Ebers-Moll Completo e Efeito do EncapsulamentoApenas a título de informação adicional, a seguir estão o modelo de Ebers-Moll mais completo (incluindo outros efeitos como, por exemplo, capacitivos) e os elementos parasitas que aparecem devido ao encapsulamento do dispositivo.

Modelo de Ebers-Moll e elementos parasitas do encapsulamento

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O fato do transistor estar operando dentro dos limites da SOA significa que ele pode estar no corte, na saturação ou na região ativa. A região de operação vai depender da

polarização de JBE e JBC.

Ao se desenvolver um projeto com transistores bipolares (principalmente em aplicações de potência), três limites devem ser observados:

A máxima corrente de Coletor (ICMAX);

A máxima diferença de potencial entre Coletor e Emissor (BVCEO, VCEMAX);

Potência dissipada máxima (PDMAX)

Estes limites estão todos relacionados com a temperatura máxima que as junções podem trabalhar. No caso de ICMAX e PDMAX este conceito é bem evidente. Para

VCEMAX o que ocorre é que ao se aumentar VCE também está se aumentando VCB (transistor polarizado no corte ou na região ativa) e pode-se alcançar a tensão de ruptura da junção Base-Coletor. No caso de PDMAX é possível desenvolver uma

equação que descreva esta dissipação.

Transistor Bipolar: Valores Limites e Hipérbole de Potência

CECD

CBBECCBCBEED

.VIPVV.I.VI.VIP

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Denomina-se a relação PD = IC.VCE de Hipérbole de Potência, pois se trata de uma equação do tipo x.y = constante, ou seja, uma hipérbole. Os limites (ICMAX, VCEMAX e PDMAX) quando colocados no plano ICxVCE vão definir uma região denominada de Safe Operating Area

(área de operação segura: SOA, SOAr) que representa os pares de pontos (IC,VCE) em que o transistor está operando sem exceder a sua capacidade máxima de dissipar potência.

Transistor Bipolar: Valores Limites e Hipérbole de Potência

Safe Operating AreaSOA

I CMAX

BVCEO

Hipérbole de PotênciaP DMAX

IC

VCE

Hipérbole de Potência(eixos lineares)

Hipérbole de Potência(eixos log)

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Hipérbole de Potência: Exemplo 2N3055 (transistor de potência)

Exemplo de hipérbole de potência (SOA) para um transistor de potência. Observar a presença do fenômeno do

Second Breakdown.

The second breakdown is the most complicated failure mechanism, it involves the

building of local hotspots.

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Transistor Bipolar em Circuito IntegradoExemplo de um transistor bipolar em circuito integrado

e com estrutura interdigital (multi-fingers)

Vantagens:Diminuição da resistência Base-Emissor;Diminuição do Ruído Térmico gerado no

componente;Possibilidade de aplicações que exijam maior capacidade de manipulação de

corrente (potência).

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Adendo 1: Folha de Dados (Parâmetro βDC)

A família BC54X representa transistores de uso geral, podendo ser usados e amplificadores e circuitos de

chaveamento.Observar que o parâmetro βDC (hFE – “DC Current

Gain”) depende do nível de corrente de coletor e da temperatura. São disponíveis em três grupos distintos

(A, B e C).

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