Analogica I (7) BJT 2013
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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.
3
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)
5
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.
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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
10
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)
18
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.
19
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
≈
24
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
25
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
26
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
27
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)
28
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.
29
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).
30
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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