transistor bjt

IL TRANSISTOR BJT
A differenza del diodo, il transistor è un dispositivo a doppia giunzione, formato da un cristallo di
silicio su cui vengono modificate tre distinte zone con impurità del 3 e 5 gruppo.
A secondo del tipo di impurità si avranno transistor NPN o PNP. In figura è rappresentato lo
schema di un transistor di tipo NPN, in tale struttura la zona a sinistra rappresenta l’Emettitore, la
zona centrale rappresenta la Base, e la zona destra rappresenta il Collettore.
E’ bene ricordare che nelle zone di tipo N i portatori
maggioritari sono gli elettroni, mentre nella zona di
tipo P i portatori maggioritari sono le lacune. In
genere la zona di emettitore è fortemente drogata, la
zona di base è debolmente drogata, mentre la zona di
collettore ha un drogaggio intermedio rispetto alle
precedenti.
Fisicamente la zona di collettore ha estensione maggiore delle altre due e quella di base è quella che
ha minore estensione.
Si capisce come il transistor è formato dalle due giunzioni EmettitoreBase e Base-Collettore assimilabili a quelle di due diodi contrapposti.
Il diodo inferiore Emettitore-Base viene chiamato diodo emettitore,
mentre il diodo superiore Base-Collettore viene chiamato diodo
collettore.
In assenza di polarizzazione
A seguito del drogaggio, inizia un processo di
diffusione e gli elettroni diffondono dalla zona di
emettitore verso la zona di base ricca di lacune; nella
zona di base, parecchi elettroni si ricombinano con le
lacune presenti, quindi, come nel diodo nasce una
zona di svuotamentoe quindi una barriera di
potenziale che vale circa 0,7 V per il silicio e 0,3 V per il germanio a 25 °C. Allo stesso modo
anche nella giunzione Base-Collettore, a causa del processo di diffusione dei portatori maggioritari,
nasce una zona di svuotamento e quindi una barriera di potenziale di 0,7 V per il silicio.
Possiamo quindi affermare che un transistor senza alcuna polarizzazione è come due diodi contrapposti con tensione di
soglia pari a circa 0.7 V a temperatura ambiente.
Polarizzazione del transistor
Se si connettono i terminali EBC a sorgenti esterne di alimentazione, le giunzioni possono essere
polarizzate entrambe direttamente, inversamente oppure una polarizzata direttamente e l’altra
inversamente; nei primi due casi il transistor funziona come un interruttore, mentre nel terzo caso il
transistor funziona come un amplificatore di corrente.
Analizziamo il caso in cui la giunzione Emettitore-base è
polarizzata direttamente mentre quella base-collettore è
polarizzata inversamente. Nella seguente figura, si nota
come la zona di emettitore è ricca di elettroni liberi, la
funzione dell’emettitore è quella di iniettare elettroni
liberi verso la base, e tale processo è facilitato dalla
polarizzazione diretta tra emettitore e base, e dal fatto
che la zona di emettitore è fortemente drogata. La base
che è leggermente drogata ha una funzione ben precisa che è quella di far passare la maggior parte
degli elettroni iniettati dall’emettitore, verso il collettore, infatti essendo leggermente drogata, gli
elettroni che si ricombinano con le lacune sono solo una parte di quelli iniettati.
Nel drogaggio, per aumentare il tempo di vita media degli elettroni liberi iniettati dall’emettitore. si
fa in modo che la larghezza di base sia minore della lunghezza di diffusione,
Gli elettroni che raggiungono la zona di collettore sono accelerati dal campo elettrico che si viene a
creare nella giunzione (PN) base-collettore, e quindi il collettore ha la funzione di raccogliere gli
elettroni iniettati dall’emettitore attraverso la base, in realtà una parte degli elettroni iniettati nella
base, vengono raccolti dal morsetto positivo del generatore passando attraverso la resistenza di base
RB.
In ogni caso la maggior parte degli elettroni iniettati nella base, vengono raccolti dal collettore sia
per il debole drogaggio che allunga, appunto il tempo di vita media degli elettroni nella zona di
base, consentendo loro di raggiungere il collettore, sia perché la zona di base è molto stretta
accorciando in tal modo il percorso degli elettroni verso il collettore.
Affinché gli elettroni dell’emettitore possano essere iniettati nella base del transistor, è necessario
che la tensione di polarizzazione sia maggiore della barriera di potenziale base-emettitore, quindi
deve essere
In queste condizioni, quasi tutti gli elettroni vengono raccolti dal collettore e circolano attraverso la
resistenza RCverso il morsetto positivo della tensione di polarizzazione inversa della giunzione
base-collettore.
In figura è rappresentato un transistor NPN con i versi convenzionali delle
correnti che sono opposti al verso degli elettroni.
Poiché l’emettitore è quello che inietta elettroni, appare evidente che la corrente
di emettitore è maggiore delle altre due correnti, inoltre poiché il collettore
raccoglie quasi tutti gli elettroni iniettati dall’emettitore si può dire che la
corrente di collettore è quasi uguale alla corrente di emettitore, in genere la corrente di base è 1%
della corrente di emettitore.
Correnti nel BJT
Analizzando il BJT con il principio di kirchhoff si ha
1
Indicando con
la frazione di corrente di emettitore raccolta dal collettore, possiamo
scrivere:
∙
2
Dove ICBO rappresenta la corrente inversa di saturazione della giunzione base collettore.
In genere  è maggiore di 0,99 per transistor di piccola potenza e maggiore di 0,95 per transistor di
alta potenza.
Sostituendo la 1) nella 2) si ha:
∙
Da quest’ultima si ricava:
∙
1
Indicando con
1
1
∙
3
il guadagno di corrente del transistor, dalla (3) si ricava l’equazione
fondamentale del transistor:
∙
1 ∙
4
Per transistor di piccola potenza  varia da 100 a oltre 300, mentre per transistor di alta potenza i
valori di  vanno da 20 a 100.
Per valori elevati di Ic il termine (+1)ICBO è trascurabile, mentre non lo è nel funzionamento come
amplificatore e quando si vuole valutare la sua influenza al variare della temperatura, in quanto ICBO
aumenta con essa.
Quando trascuriamo il termine dovuto alla corrente inversa di saturazione possiamo esprimere la
corrente di collettore sostituendo a  il guadagno statico del transistor indicato con hFE:
∙
Utilizzata per calcolare la corrente di collettore quando si conosce il guadagno statico del transistor
e la corrente di base.
In alternativa si usa:
Utilizzata quando si conosce la corrente di collettore
e il guadagno statico per calcolare la corrente di base.
Con riferimento al circuito di figura, ipotizzando VBE=0.6 V si possono avere tre casi:
Interdizione
0.6
In questo caso la corrente di base è nulla, il transistor è interdetto e si comporta come un
circuito aperto. La tensione di uscita V0 ovvero, la tensione tra collettore ed emettitore
risulta:
Zona attiva
0.6
0.2
∙
∙
In questo caso il transistor funziona come un amplificatore di tensione.
Zona di saturazione
∙
0.2
∙
In zona di saturazione VCE=0.2V il transistor si comporta come un circuito chiuso e non è più
controllato dalla corrente di base IB, le giunzioni saranno entrambe polarizzate direttamente e la
corrente massima di collettore risulta:
0.2
Per fare lavorare un transistor in zona di saturazione basta imporre:
Tempi di commutazione
I tempi di commutazione sono i tempi caratteristici di passaggio del transistor dallo stato OFF allo
stato ON eviceversa.
Si supponga di applicare alla base del transistor un segnale a due livelli che comportino
rispettivamentel'interdizione e la saturazione del transistor.
Nella transizione tra uno stato e l'altrola corrente
di collettore si adegua al valore corretto in modo
graduale. Si definiscono allora i seguenti
tempicaratteristici, indicati anche nella figura
accanto:
tempo di ritardo (delay time, td)
è il tempo necessario affinché la corrente di
collettore raggiunga il10% del suo valore finale
ICsat, misurato a partire dall'istante in cui viene
dato il comando di saturazione.
tempo di salita (rise time,tr)
è il tempo che impiega la corrente di collettore per passare dal 10% al 90% del suo valore finale.
tempo di immagazzinamento (storagetime,ts)
è il tempo necessario affinché la corrente di collettore scenda al 90% del valore ICsat, misurato a
partire dall'istante in cui viene dato il comando diinterdizione. Questo tempo è dovuto al fatto che
durante la fase di piena conduzione, nella base sigenera un eccesso di portatori minoritari che
devono essere smaltiti, prima che il transistor possatransitare verso la fase di interdizione.
tempo di discesa (falltime,tf)
è il tempo che impiega la corrente di collettore per passare dal 90% al10% del valore ICsa,
tempo totale di accensione o di commutazione diretta(turn-on time)
tempo di spegnimento o di commutazione inversa (turn-off time)
Parametri dei BJT
VCBO
VCEO
VBEO
ICMAX
IBMAX
Pd
TJ
RthJA
Massima tensione tra base e collettore tenendo aperto l’emettitore
Massima tensione tra collettore ed emettitore tenendo aperta la base
Massima tensione tra base ed emettitore tenendo aperto il collettore
Massima corrente di collettore
Massima corrente di base
Massima potenza dissipabile
Massima temperatura che può sopportare la giunzione
Resistenza termica tra giunzione ed ambiente
Guadagno di corrente statico
∆
∆
ft
Guadagno di corrente dinamico nella configurazione ad emettitore comune
Frequenza di taglio del guadagno di corrente dinamico
I parametri IBMAX, ICMAX e Pd, se non superati, impediscono che le giunzioni possano raggiungere
una temperatura troppo alta che danneggerebbe il BJT.
La Vce massima, se non superata, impedisce il breakdown causato da effetto valanga o per effetto
punch-through.
Il primo si verifica quando la polarizzazione inversa raggiunge un valore per cui nella zona di carica
spaziale vengono generati portatori di carica per cui la stessa si comporta come una zona a bassa
resistività.
Il secondo effetto si verifica quando la zona di svuotamento della giunzione B-C si allarga fino a
toccarsi con la giunzione B-E provocando un forte aumento della corrente di collettore.
Oltre ai precedenti parametri, i costruttori forniscono delle curve caratteristiche che riportano la
variazione dei parametri in funzione degli altri o della temperatura.
Configurazione del transistor
A seconda di come vengono collegati i suoi terminali rispetto a quelli di ingresso e di uscita del
circuito stesso, il transistor viene usato in 3 tipi diconfigurazioni:
La configurazione ad emettitore comune prevede la base come terminale di ingresso e il
collettore come uscita.
La configurazione a collettore comune prevede la base come ingresso e l’emettitore come
uscita.
La configurazione a base comune prevede l’emettitore come ingresso e il collettore come
uscita.
Ognuna di queste configurazioni presenta particolari caratteristiche, favorevoli o sfavorevoli a
seconda dell’uso a cui sono destinati e quindi utilizzeremo quella richiesta dalle necessità specifiche
di progettazione.
Ogni circuito è caratterizzati dai seguenti parametri fondamentali:
l’impedenza d’ingresso Zi data dal rapporto tra tensione e corrente d’ingresso;
L’impedenza d’uscita Zudata dal rapporto tra tensione e corrente di uscita,
Guadagno in tensione Av = Vo/Vidato dal rapporto tra tensione di uscita e tensione
d’ingresso
Guadagno in corrente Ai = Io/Ii dato dal rapporto tra corrente di uscita e corrente d’ingresso
Guadagno in potenza
Le impedenze di ingresso e di uscita sono molto importanti al momento di interfacciare i vari stadi
di un circuito, in quanto il trasferimento del segnale da uno stadio all’altro risulta massimo quando
la Zu dello stadio precedente è uguale alla Zi dello stadio successivo. Più la differenza tra le due
impedenze aumenta, più si perde segnale nel trasferimento da uno stadio al successivo.
Caratteristiche configurazione emettitore comune
Il circuito ad emettitore comune è quello più
utilizzato , in quanto presenta alti valori di
guadagno in tensione e in corrente, e il più alto
valore di guadagno in potenza. La differenza
tra le impedenze d’ingresso e di uscita non è
troppo elevata il che facilita l’interconnessione
di più stadi in cascata, senza ricorrere a reti adattatrici di impedenze, semplificando non di poco il
circuito.
Un esempio sono i circuiti di amplificazione in cui ogni stadio si prende carico di amplificare solo
di un certo tasso il livello del segnale di ingresso fino ad ottenere la potenza d’uscita desiderata.
Caratteristiche configurazione base comune
Nella configurazione a base comune
l'amplificazione non è notevole, inoltre tale
configurazione presenta una bassa Zi e un’alta
Zu.
In particolare in tale configurazione si ha un
alto guadagno in tensione, mentre quello in
corrente è inferiore all’unità, ne consegue che anche il guadagno in potenza risulta piuttosto basso.
Viene utilizzato ad alte frequenze dove le capacità parassite interne ad ogni transistor giocano un
ruolo importante. L’influenza della temperatura è minima in quanto così montato sopporta alte
temperature.
Caratteristiche configurazione collettore comune
Nella configurazione a collettore comune
l'amplificazione non è notevole, inoltre tale
configurazione presenta un’alta Zi e una bassa
Zu, il che lo fa preferire come adattatore di
impedenza, passando sotto il nome di emitter follower.
Tali circuiti si trovano negli stadi finali audio per permettere l’accoppiamento del resto
dell’amplificatore all’altoparlante la cui impedenza è notoriamente bassa. (Così facendo
l’impedenza d’uscita e d’ingresso grosso modo si equivalgono).
La configurazione presenta un certo guadagno in corrente mentre quello in tensione è inferiore
all’unità, per cui anche il guadagno in potenza risulta essere piuttosto basso.
Studio del transistor nella configurazione ad emettitore comune - EC
La connessione ed emettitore comune è quella che viene maggiormente utilizzata nei circuiti
elettronici, essa prevede la base come terminale di ingresso e il collettore come terminale di uscita.
Nella configurazione ad emettitore comune i
generatori di tensione sono connessi all’emettitore
direttamente a massa (ma possono essere connessi
anche tramite una resistenza tra emettitore e massa).
Il generatore VBB serve a polarizzare la base del BJT
mentre la resistenza di base Rb serve a limitare la
corrente di base che controlla la corrente di
collettore. Il generatore VCC polarizza inversamente
la giunzione B-C, e il collettore, collegato con la
resistenza RC al generatore VCC, si comporta come
raccoglitore degli elettroni iniettati attraverso la base, dalla giunzione B-E polarizzata direttamente.
Il circuito può studiarsi applicando la LKT alla maglia di ingresso e alla maglia di uscita.
A causa delle correnti circolanti sia sulla maglia di ingresso che sulla maglia di uscita, sulle
resistenze RB ed RC sia hanno delle cadute di tensione.
Curve caratteristiche del transistor
Il rilievo delle curve caratteristiche si può ottenere con il circuito seguente. La caratteristica di
ingresso esprime il legame fra IBe VBE; mentre quella di uscita esprime il legame tra ICe VCE.
Curva caratteristica di ingresso
Analizzando la giunzione B-E, essendo essa stessa un diodo, possiamo pensare che la dipendenza
della IB dalla tensione VBE è proprio simile a quella del diodo, per cui si possono fare le stesse
approssimazioni dei tre modelli del diodo a giunzione,
Applicando la LKT alla maglia di ingresso
abbiamo:
Se ipotizziamo di usare il modello del diodo
ideale, dobbiamo imporre VBE=0V, ma da
adesso noi utilizzeremo il modello per cui
VBE=0,7V.
Pertanto la caratteristica d’ingresso del BJT è quella di figura.
Si può notare, che essa è identica alla caratteristica di polarizzazione diretta del diodo. Ciò non ci
deve sorprendere, perché, se polarizziamo soltanto la giunzione base-emettitore, con una batteria ci
troviamo, in fondo, di fronte alla struttura di un diodo.
Effetto Early
Notiamo, però, una cosa strana nella seconda figura, infatti, invece di avere una sola caratteristica
ne abbiamo diverse che dipendono dal valore della VCE.
Il legame fra IBe VBE dunque, non è sempre identico ma dipende da quale valore assume la VCE.
Potrebbe sembrare strano che una grandezza di uscita influenzi a sua volta l’ingresso.
Si tratta di un fenomeno detto retroazione in cui la grandezza che abbiamo individuato come uscita
del sistema influenza il sistema come se fosse un ulteriore ingresso.
Nel nostro caso la retroazione è causata dall’effetto Early.
Con riferimento ad un BJT di tipo NPN, se aumentiamo il valore assoluto della tensione VCE,
tenendo costante la VBE, aumenta il valore della tensione che polarizza la giunzione base-collettore.
Tale giunzione è però polarizzata inversamente, il che vuol dire che presenta una zona di
svuotamento. Quindi al crescere della VCE, cresce la zona di svuotamento nella base.
Se cresce la zona di svuotamento diminuisce la ricombinazione nella base perché diminuisce la
zona con lacune che deve essere attraversata dagli elettroni provenienti dall’emettitore. Ciò
comporta che il numero di lacune che devono accorrere nella base a sostituire quelli che si perdono
per ricombinazione diminuiscono, per cui, in corrispondenza di uno stesso valore della VBE, la IB
diminuisce in valore assoluto.
Curve caratteristiche di uscita
Applicando la LKT alla maglia di uscita si ha:
∙
Ricordiamo che la Ic dipende dalla IB, quindi per
variare VCE occorre variare la VCC.
La caratteristica di uscita di un BJT, fissata la IB ha
l’andamento di figura.
come si può vedere, anche in questo caso abbiamo tante
caratteristiche diverse, quindi il legame fra la ICe la VCE
non è sempre lo stesso ma dipende dalla corrente IB.
Notiamo che, per valori della VCE di pochi millivolt, la corrente IC cresce molto rapidamente. Questa
zona è detta zona di saturazione ed è caratterizzata, dunque, da aumenti molto gradi di corrente per
piccole variazioni di tensione. Ciò vuol dire che, in questa zona, il BJT presenta una resistenza
molto bassa. Abbiamo poi una zona in cui le caratteristiche diventano quasi orizzontali: ciò sta a
significare che la corrente di collettore diventa indipendente dalla tensione ed il suo valore dipende
solo dal valore della IB.
Questa zona è detta zona lineare poiché qui vale il legame lineare fra IC e IB
I
h
∙I
Se facciamo diminuire la corrente di base a zero, anche la corrente di collettore si riduce a valori
praticamente nulli. Questa zona è detta zona di interdizione e in questo caso si può dire che il BJT
offre una resistenza molto elevata tanto da poter essere assimilato ad un circuito aperto.
Dalla figura si vede anche, che quando VCE= 0, anche la corrente di collettore è zero, di fatto in
questa situazione la giunzione B-C non risulta polarizzata inversamente e quindi il collettore non
raccoglie gli elettroni iniettati dall’emettitore nella base.
La retta di carico
Fissata la corrente di base, il transistor si trova a lavorare in un punto in cui i valori di IC e VCE sono
stabiliti dalla resistenza di carico RC. Per trovare il punto di lavoro, basta tracciare la retta di carico
nelle caratteristiche di uscita.
Per tracciare la retta di carico si lavora sulla LKT nella maglia uscita:
∙
I due punti che ci permettono di tracciare la retta di carico, si trovano imponendo una volta IC=0 e
una volta VCE=0.
0
0
Potenza dissipata
Nel dimensionamento del transistor, dall’equazione della maglia di uscita:
∙
si determina la tensione VCE, nota la quale possiamo calcolare la potenza dissipata dal transistor
∙
Questa deve essere sempre minore della Pdmax riportata nei
datasheets
Poiché, come detto la potenza dissipata è data da
∙
si ricava per diversi valori della coppia VCE-IC un grafico che
delimita la zona in cui il transistor non si danneggia, in
particolare il punto di lavoro del transistor deve stare al di sotto della curva, e al limite il punto di
lavoro deve essere tangente a detta curva.
Quando il transistor deve funzionare come un amplificatore di segnale, oltre alle tensioni in DC
necessarie alla polarizzazione e alla determinazione del punto di lavoro Q, nel morsetto di base è
presente anche il segnale che si vuole amplificare. Se ad esempio il segnale che si vuole amplificare
è di tipo sinusoidale, questo fa si che alla componente IB dovuta alla sorgente in DC per la
polarizzazione si somma la componente dovuta alla sorgente di segnale. In un certo senso è come se
la corrente di base varia da un valore minimo ad un valore massimo.
In conseguenza della variazione della grandezza di ingresso è ovvio che il punto di lavoro sarà
compreso in un intorno di Q, infatti variando la IB, fermo restando il valore della resistenza di carico
e della VCC, cambia pure la IC e VCE.
Pertanto, nel progettare il circuito, dovremo fare in modo che il transistor si trovi a funzionare
all’interno della sua zona sicura anche nelle condizioni più sfavorevoli ed in presenza della tensione
istantanea più critica. Se ciò avverrà, il segnale di uscita risulterà la copia ingrandita di quello
applicato all’ingresso, viceversa sarà affetto da un certo tasso di distorsione.
Esercizio
Calcolare il guadagno del transistor aiutandosi con un
simulatore di circuiti.
9
100
0.09
Con il simulatore si misura la tensione VCE, quindi si calcola:
E quindi si trova il guadagno:
Posto che sia hFE=400, calcolare IB, IC e VCE.
Utilizzo dei DATASHEET
I transistor per piccoli segnali possono dissipare 1 Watt o meno, mentre i transistor di potenza
possono dissipare decine e anche centinaia di Watt.
Nei datashhet dei transistor si devono considerare i valori massimi di tensione, corrente ed altri
parametri.
Consideriamo il datasheet del transistor 2n2222.
Valori massimi assoluti:
VCBO= 75V massima tensione della giunzione base-collettore
VCEO= 40V massima tensione collettore-emettitore
VEBO= 6V massima tensione emettitore-base
IC = 1A massima corrente di collettore
TSTG = -55 – 150 °C intervallo di temperatura della giunzione
Ovviamente in un corretto dimensionamento circuitale non devono mai superarsi i valori massimi in
quanto si accorcerebbe la vita del transistor.
Valori massimi delle caratteristiche termiche:
PD = 625 mW massima potenza a temperatura ambiente (conviene usare un fattore di
sicurezza almeno pari a 2 (312.5 mW)
PD = 5 mW/°C aumento di temperatura per oltre 25°C, per aumentare la potenza dissipabile
si deve utilizzare un dissipatore.
RJC=83.3 °C/W resistenza termica giunzione-case
RJa=200 °C/W resistenza termica case-ambiente