Il transistor

Il transistor
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•
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dispositivo a semiconduttore con almeno 3 elettrodi che sfrutta le
proprietà della giunzione p-n.
inventato da Bardeen, Brattain and Shockley, ai Bell Laboratories,
nel 1948  Premio Nobel nel 1956
strutture diverse per diverse applicazioni
•
estrema miniaturizzazione  sviluppo di nuove applicazioni (memorie ad
alta densità, computer veloci, computer sempre + piccoli
•
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
esistono strutture diverse elaborate per diverse applicazioni
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
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•
•
Transistor Bipolare a giunzione (BJT)
p
n
n
p
p
n
emettitore
(drogaggio elevato)
collettore (drogaggio intermedio)
base (drogaggio basso)
spessore stretto
due diverse configurazioni: pnp oppure npn
base = elettrodo di controllo (switch)
piccola variazione della corrente di base  rapido cambiamento nell’apparato
Il verso della corrente (convenzionalmente la direzione dei portatori di carica
positivi) è indicato dalla freccia nel terminale dell’emettitore.
Simboli convenzionali per i BJT
C
C
IC
B
IB
IC
B
IB
IE
IE
E
npn
E
pnp
due giunzioni p-n che condividono uno strato di semiconduttore intermedio drogato
due diodi contrapposti: emettitore- base
base - collettore
E
n
B
+
- - +
+
- - +
+
- - +
+
- - +
C
p
EB
BC
n
in assenza di polarizzazione esterna
EB
BC
campo elettrico
EB
distribuzione della carica elettrica
BC
potenziale elettrico
Caratteristiche di uscita del transistor
descrivono la dipendenza della corrente di collettore dalla differenza di potenziale
tra collettore ed emettitore VCE
famiglia di curve corrispondenti a diversi valori della IB
3 regioni distinte:
a) zona attiva
b) zona di saturazione
c) zona di interdizione
a) zona attiva: rette quasi orizzontali. IB e IC approx proporzionali.
BJT utilizzato come amplificatore
b) zona di interdizione: IC=0. VBE<< Vg  diodo BE polarizzato invers.
ATTENZIONE: diodo BC inverso.
c) zona di saturazione: IC << b IB; in questa zona VCE ~ 0÷0.2 V e le giunzioni sono
entrambe polarizzate direttamente
Se diodo BC diretto c’è uno scambio dei ruoli tra E e C 
d) zona attiva inversa  IE = bRIB dove bR << b definito per il transistor in zona
attiva diretta
polarizzazione delle due giunzioni:
Base – Emettitore
Base - Collettore
BE inversa
BC inversa
cutoff
BE diretta
BC inversa
attiva diretta
BE inversa
BC diretta
attiva inversa
BC
BE diretta
BC diretta
saturazione
BE
RIASSUMENDO: un transistor può essere adoperato
• come elemento di un circuito logico
facendolo lavorare nello stato di
saturazione (VCE = 0) o di interdizione.
• come amplificatore in 3 diverse configurazioni:
- a emettitore comune  amplificatore di
tensione (invertente) con buon guadagno anche in I
- a base comune  amplificatore
di tensione (non invertente) con basso
guadagno in I
- a collettore comune  elevato guadagno
in corrente ma nessun guadagno in
tensione
Analogia idraulica per il transistor
Transistor ad effetto di campo
Junction Field Effect Transistor (JFET)
Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect
Transistor (MOSFET)
•
Dispositivi a semiconduttore a 3 terminali di facile fabbricazione e meno
ingombranti dei BJT
•
densità di componenti > 100000 MOSFET/chip
•
possono svolgere la funzione di resistenza o condensatore (collegamento
opportuno)
•
si possono progettare sistemi elettronici interamente composti da MOSFET
•
utilizzo nei VLSI
•
si può interpretare il FET come uno switch elettronico che può trovarsi in uno
stato on oppure off
•
sotto questo aspetto il FET corrisponde ad un singolo bit, cioè ad una unità
binaria di informazione
•
•
•
•
impiego di un campo elettrico per controllare la corrente che scorre nel
dispositivo
cristallo di semiconduttore drogato p o n (canale o body)
la corrente - dovuta solo ai portatori maggioritari - scorre tra due terminali:
sorgente (source) e pozzo (drain)
sul terzo elettrodo (gate) viene applicato un campo elettrico (potenziale) che
modifica la conducibilità del canale e quindi la corrente
Junction Field Effect Transistor (JFET)
barretta di SC a debole drogaggio n - impianto di due zone fortemente drogate p+
elettrodi metallici :
n+
Gate = elettrodo di controllo
Source
tra questi due elettrodi scorre la corrente (parallela alla giunzione)
canale p
Drain
modulata da un opportuno
potenziale
sul
gate.
Source
n+
Drain
NB : Esiste anche il JFET a canale p con l’impianto di due zone a drogaggio n+
Gate
p+
Source
Gate
canale n
p+
Drain
E’ possibile ottenere lo stesso effetto di strozzamento del canale anche se VGS =0
luogo dei punti di pinchoff
VGS=0
VDS
VGS=0
Aumentando VDS la ddp tra gate e canale
aumenta in modo asimmetrico, con un
G
valore maggiore verso il D
 zona di
svuotamento deformata.
S
V
P
D
Continuando ad aumentare VDS si
raggiunge lo strozzamento.
VGS=0
Il punto P si trova ad un potenziale
tale per cui VGP = VP = tensione di pinchoff. G
Poiché VGS =0, VSP = VGP = VP, mentre VDP 0
quindi VDS = |VP|
S
|VP| si può definire come il valore minimo
di VDS che, per VGS =0, causa il pinchoff.
Per VDS>|VP|, IDS rimane costante
(=IDSS= corrente di saturazione).
Se VGS ≠ 0,il pinchoff si verifica per valori di VDS inferiori.
VDS
D
Aumentando VDS si osserva che la ddp tra il punto P e il source rimane uguale
a VP mentre si origina una ddp tra drain e P pari a VDS-|VP|, grazie alla quale
gli elettroni che raggiungono il punto P proseguono verso il drain.
La ddp per cui inizia la saturazione è data da V’DS  VGS -VP
In questa relazione troviamo i comportamenti che abbiamo descritto finora:
per VGS = VP  V’DS = 0 che produce IDS = 0 qualunque sia VDS
per VGS = 0  V’DS = VP
Anche il JFET (come il BJT) può essere usato come amplificatore nella zona
di saturazione.
Si controlla una corrente con un segnale di tensione (nel BJT si controlla una
corrente con un’altra corrente più piccola).
Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor
(MOSFET)
• Il MOSFET è un dispositivo a effetto di campo che utilizza un
elettrodo metallico separato da un canale di semiconduttore tramite
uno strato di ossido (isolante) (struttura metallo-ossidosemiconduttore)
• Applicando una ddp tra gate e substrato del semiconduttore (body),
attraverso lo strato di ossido, si controllano le caratteristiche del
canale.
• Esistono 2 tipi di MOSFET
– ad arricchimento
– a svuotamento
MOSFET a canale n ad arricchimento (n channel enhancement – NMOS)
2 regioni n+ in un substrato di tipo p
superficie superiore ricoperta di Ossido di Silicio, a parte 2 contatti metallici
(Al) per le zone n+ (Source e Drain). Il Gate si trova sullo strato di Ossido,
sulla zona inferiore c’e’un quarto elettrodo di Substrato.
Normalmente S e Substrato sono tenuti insieme. Il G è ad un potenziale positivo
rispetto a S, come pure il D.
In assenza di potenziali esterni alcuni
elettroni migrano dalle zone n+ verso p.
Applichiamo VG > VS(=Vsub)  gli elettroni
vengono attirati nella zona tra D e S
creando un canale di conduzione.
Applicando una VDS si avrà una corrente
IDS da D a S.
Tutto ciò avviene se VGS ≥ Vt
(tensione di soglia).
Il comportamento del MOSFET per
VDS piccola è analogo a quello del JFET in
zona ohmica.
1. zona ohmica (VDS ≤VGS-Vt):
IDS = Kp [2(VGS-Vt)VDS –V2DS]
2. zona di saturazione (VDS ≥ VGS-Vt):
IDS = Kp (VGS-Vt)2
per VGS=0, IDS= Kp Vt2 = IDSS=
corrente di saturazione (≈ nA)
Esiste il MOSFET a canale p ad arricchimento
nel quale tutti i segni e le polarizzazioni sono
invertiti, ma ha un funzionamento del tutto
analogo.
IDS, mA
Aumentare il valore di VDS equivale a
diminuire la ddp tra D e G in prossimità
del D  il canale si deforma e si restringe
vicino al D.
Quando VDS è tale per cui VDG<Vt
(VDG = VGS –VDS ≤ Vt) si ha una situazione di
pinchoff analoga a quella vista nel JFET.
IDS diventa indipendente da VDS
zona di saturazione del MOSFET
Aumentando ulteriormente VDS si raggiunge
la zona di breakdown (10÷ 100 V).
VGS= 6 V
400
VGS= 5.5 V
VGS= 5 V
VGS= 4.5 V
VGS= 4 V
300
200
100
0
0
1
SB
p
2
3
4
S GG (+)
(metallo)
n
5
D
D(+)
-- -- -- -- -- - - n
p
---
substrato
substrato
n p
VDS,V
MOSFET a canale n a svuotamento
E’ identico al transistor NMOS appena visto,
ma esiste già un canale n di conduzione
tra le regioni n+.
Quindi anche in assenza di tensione sul G
ci sarà conduzione.
• Se il G ha un potenziale negativo rispetto
al S ( e al substrato, che sono collegati)
gli elettroni nella zona n vengono respinti
 si formerà una zona di svuotamento
e quindi si avrà un restringimento del canale
 modo di svuotamento
• Se G ha un potenziale positivo, altri elettroni
saranno attratti verso lo strato di ossido e si
avrà un allargamento del canale ed un aumento
della conduttanza
 modo di arricchimento
Supponiamo di operare in modo di svuotamento (VG < 0)
Aumentando VDS si incontrerà una prima zona ohmica, seguita anche in questo
caso da una zona di saturazione dovuta allo stesso effetto di strozzamento già
visto in precedenza.
Vp è il valore minimo di VDSche causa la saturazione quando VGS=0 ( ed è il
valore di VGS che causa il pinchoff quando VDS=0).
La curva caratteristica di questo MOSFET è:
Saturazione: VDS tale per cui
VGD = VGS –VDS = VP cioè VDS = VGS-VP
1. zona ohmica (0 <VDS ≤VGS-Vp):
IDS = Kp [2(VGS-Vp)VDS –V2DS]
2. zona di saturazione (VDS ≥ VGS-Vp):
IDS = Kp (VGS-Vp)2
NMOS
PMOS