Il transistor

Il transistor
• il transistor è un dispositivo a semiconduttore che sfrutta le proprietà
della giunzione p-n.
• esistono molte diverse strutture che sono state elaborate per diverse
applicazioni
• può essere schematizzato come un regolatore o generatore di
corrente o di tensione
• può svolgere sia la funzione di switch (commutatore o interruttore)
che quella di amplificatore
• si possono individuare 2 grandi categorie di transistor in base al
verso di scorrimento della corrente rispetto alla giunzione:
– transistor bipolari a giunzione (BJT) – corrente perpendicolare alla
giunzione
– transistor ad effetto di campo (JFET o MOSFET) – corrente parallela
alla giunzione
transistor BJT
• un BJT è costituito da 3 strati di SC drogato.
• si possono avere due diverse configurazioni: pnp oppure npn
• generalmente si usa silicio
p
n
n
p
p
n
collettore
emettitore
base
• una piccola variazione della corrente (o della tensione) nella base
comporta un rapido cambiamento nel resto dell’apparato  base è un
elettrodo di controllo (switch)
transistor BJT = due giunzioni p-n che condividono uno strato di silicio
intermedio drogato
2 condizioni per il corretto funzionamento del transistor:
1 – larghezza della base << lunghezza di diffusione
( ~ 1 mm)
lunghezza di diffusione : distanza percorsa dai portatori di carica nei
pressi della giunzione prima di ricombinarsi
2 – emettitore ha un drogaggio più intenso della base.
il funzionamento del transistor è determinato dalla polarizzazione delle due
giunzioni.
In sostanza si possono individuare 4 diverse regioni di funzionamento del
transistor.
1 – BE diretta - CB inversa  zona attiva
2 – BE inversa – CB inversa  zona interdizione
3 – BE diretta – CB diretta  zona saturazione
4 – BE inversa – CB diretta  zona attiva inversa
• in un transistor pnp la corrente è dovuta (principalmente) a lacune
emesse dall’emettitore e raccolte dal collettore.
• Al contrario, in un transistor npn la corrente è dovuta agli elettroni.
• In entrambi i casi il valore di questa corrente è controllato dal valore
della corrente di base.
C
C
IC
IB
B
IC
B
IB
IE
IE
E
E
npn
pnp
• se polarizziamo direttamente (forward) la giunzione emettitore-base
gli elettroni (le lacune) che sono portatori maggioritari, passano nella
base dove diventano portatori minoritari. npn pnp
• qui la polarizzazione inversa (reverse) della giunzione basecollettore trascina gli elettroni (le lacune) che sono minoritari, verso il
collettore, dove sono nuovamente portatori maggioritari e
rappresentano la componente prevalente della corrente di collettore.
• a causa dello spessore sottile della base gli elettroni (le lacune) non
si ricombinano con le lacune (gli elettroni) della base e raggiungono
l’altra giunzione, cioè il collettore. A questo punto il campo elettrico
dovuto alla polarizzazione inversa accelera gli elettroni (le lacune)
nella regione di collettore.
• questo significa che la corrente di collettore sarà poco diversa da
quella di emettitore e si avrà
IC – IE = IB
• la corrente di base IB rimpiazza le lacune (gli elettroni) della base
che si sono ricombinati con gli elettroni (le lacune) dall’emettitore e
rappresenta un frazione piccola della corrente di emettitore.
• quindi possiamo scrivere IE/IB = 1/(1-a) dove a è un numero quasi
uguale a 1.
• Possiamo descrivere il comportamento del transistor (consideriamo
per esempio un npn) anche da un altro punto di vista
• la corrente che attraversa la giunzione EB è costituita quasi
esclusivamente da elettroni che dall’emettitore arrivano nella base.
Le lacune che fanno il percorso inverso sono poche perché
l’emettitore è molto più drogato della base.
• gli elettroni nella base hanno una bassa probabilità di ricombinarsi
con le lacune perché la loro lunghezza di diffusione è maggiore
dello spessore della base.
• se indichiamo con (1- a) la probabilità di cattura di un elettrone da
parte di una lacuna nella base ( con a ≈1)  un elettrone ha una
probabilità a~1 di raggiungere la giunzione BC e di attraversarla,
essendo un portatore minoritario.
• quando un elettrone viene catturato da una lacuna della base, la
batteria che alimenta la base provvede a rimpiazzare la carica libera
perduta tramite la corrente di base. Poiché la ricombinazione ha una
probabilità di (1- a), anche la corrente di base si potrà scrivere come
IB ~ (1- a) IE
• la corrente tra collettore e base è proporzionale al numero di
elettroni NON catturati dalle lacune nella base, quindi poiché la
probabilità di sopravvivenza dell’elettrone è a, si avrà I’C~ aIE
• la corrente totale di collettore prevede anche un contributo dovuto ai
portatori minoritari nel collettore.
• questa è la corrente inversa del diodo base-collettore che, nella
maggior parte dei casi, si può trascurare.
• si può quindi scrivere:
IC = I’C + Io = aIE +Io
IE =IC+IB
IC = I’C + Io = aIE +Io=aIC+aIB+Io  IC (1-a) = a IB +Io 
IC = a / (1-a) IB + 1 / (1-a) Io ≈ b IB
b ~ 50 – 250 è il guadagno di corrente ( a emettitore comune) a
volte indicato come hFE
circuito di polarizzazione
in configurazione a emettitore comune
VC –VE > VB – VE  VC > VB
giunzione BC polarizzata inversamente
C
IC
B
+ VCE
-
+ VBE
IB
IE
E
npn
curve caratteristiche
ricapitolando quindi:
1 - nei circuiti analogici il BJT viene spesso usato come amplificatore nella
configurazione a emettitore comune.
2 – nella regione attiva il BJT funziona come un generatore di corrente controllato
in corrente. Dato che IC = aIE +Io≈ aIE = b IB possiamo controllare la corrente
di collettore attraverso la corrente di ingresso di base.
A sua volta questa è determinata dalla polarizzazione della giunzione BE.
Il BJT in zona attiva è utilizzato come amplificatore nei circuiti analogici.
3 – Il transistor è interdetto quando entrambe le giunzioni sono polarizzate
inversamente (>> VT). IE ed IC hanno valori dello stesso ordine di grandezza
delle correnti di saturazione, mentre IB= 0. Equivale ad un interruttore aperto.
4 – zona di saturazione : non è più verificata la linearita tra IB e IC. In particolare
IC << bIB. Entrambe le giunzioni sono direttamente polarizzate, VCE ha valori
piuttosto bassi (~0.2 V). La IC in questa zona è dovuta alle cariche minoritarie
tra base e collettore. Questa condizione è simile a quella di un interruttore
chiuso.
5 – zona attiva inversa: è analoga alla zona attiva diretta, ma il guadagno è
inferiore, quindi il BJT non viene usato come amplificatore e trova applicazione
in alcuni circuiti digitali.
Il comportamento del BJT può essere riassunto nello studio delle curve
caratteristiche.
saturazione
zona attiva
interdizione
Le curve appena mostrate fanno riferimento ad un transistor nella
configurazione ad emettitore comune.
RC
In questa configurazione si usa la
corrente di base come variabile di
controllo. Quindi la corrente di
C
ingresso IB e la tensione di uscita
VBE
IC
+
VCE son variabili indipendenti,
B
+
mentre la tensione di ingressoVBE
VCE
- e la corrente di uscita IC sono
VCC
+
quelle dipendenti.
IB
IE
E
-
hFE ≡ IC/IB ≈ bF
F = forward, E = emettitore comune
non è strettamente costante a
causa della variazione della larghezza efficace della base in seguito
alla variazione della polarizzazione della giunzione BC (effetto Early).
Questo spiega perché le caratteristiche di uscita non siano
perfettamente orizzontali.
npn
caratteristiche di ingresso
mettono in relazione IB e VBE per diversi valori di VCE.
Sono sostanzialmente curve di polarizzazione diretta di un diodo.