Il transistor
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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
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•
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 base-collettore
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 pochi elettroni (le lacune) si
ricombinano con le lacune (gli elettroni) della base e in gran parte
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
IB = I E - IC
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.
• 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
corrente di collettore: IC (è la corrente che scorre effettivamente nel transistor)
due contributi:
1 - elettroni che, immessi dall’emettitore nella base, riescono a passare nel circuito
di collettore : I’C ~ a IE
2 – corrente inversa del diodo BC, Io, dovuta alla polarizzazione inversa
IC = I’C+ Io = a IE + Io
IB + IC = IE IC = Io + aIE = Io + aIB +aIC
IC = [a/(1-a)] IB + [1/(1-a)] Io
a/(1-a) = b del transistor ~ 10 ÷ 102
IC = b IB + [1/(1-a)] Io b IB
ATTENZIONE!!!
Io è molto piccolo ma è moltiplicato per un fattore ~ b ~ 10 ÷ 102
Io aumenta molto con la temperatura non può essere sempre trascurato.
In conclusione:
quando il transistor è in zona attiva (giunzione BE diretta; giunzione BC inversa)
IC = b IB
IE=IC+IB = IC + IC/ b IC
b:
- può variare molto da un transistor all’altro anche se i transistor sono
nominalmente uguali;
- varia con il “punto di lavoro”, cioè con le tensioni applicate al transistor
- varia con la temperatura
Il parametro b viene indicato con il simbolo hFE (se ci si riferisce a grandezze
variabili si usano pedici minuscoli hfe) e rappresenta il guadagno in corrente del
transistor.
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
transistor in zona attiva (VBE>Vg, VC>VB): amplificatore di corrente
piccola corrente iniettata in base controlla una corrente molto maggiore che,
in un transistor npn, attraversa il transistor nel verso C-B-E
in zona attiva la giunzione BE è polarizzata direttamente
VBE ~ 0.6 V ~Vg
nel circuito della figura: VBE=VB-RbIB
Supponiamo che VB = 2V e Rb = 28 kW
IB =[ (2 - 0.6)/28]mA = 0.05 mA
Se hFE = b = 100
Vo
~
IC = 5 mA e IE = 5.05 mA
Se VCE = 10 V, RC =1 kW la tensione sul collettore è
configurazione ad
emettitore comune
Vo = VCE –IC RC=10 -5 = 5V
Aggiungiamo in serie a VB una tensione variabile (<VB), per es. sinusoidale di ampiezza 0.5 V.
Le variazioni corrispondenti saranno:
IB1 = (2.5 -0.6)/(28 103) = 0.068 mA IC1=6.8 mA, Vo1 = (10-6.8) V = 3.2 V
IB2 = (1.5 -0.6)/(28 103) = 0.032 mA IC2=3.2 mA, Vo2 = (10-3.2) V = 6.8 V
cioè DVo = 3.6 V
DVi = 0.5 –(-0.5) = 1V il guadagno in tensione è |GV| = |DVo/DVi|=3.6
N.B.: amplificatore invertente : aumento del segnale in ingresso diminuzione
del segnale in uscita GV < 0
transistor in saturazione
giunzioni BE e BC polarizzate direttamente
VC ~ VE ~ Vg
se VCE ~ 0 anche Vo ~ 0
transistor interdetto
giunzioni BE e BC polarizzate inversamente : VBE <Vg
la corrente nel circuito è quasi nulla no caduta
potenziale ai capi di RC e quindi Vo = VCE
Vo
configurazione ad
emettitore comune
circuiti digitali
il transistor viene fatto lavorare nello stato di interdizione (Vo ~VC) e di
saturazione (Vo ~ 0V) associati allo stato logico 1 e 0 rispettivamente.
un transistor può essere adoperato
• come elemento di un circuito logico facendolo lavorare nello stato di
saturazione (VCE = 0) o di interdizione.
Infine:
perché le curve caratteristiche nella zona attiva
non sono rette orizzontali ma sono inclinate?
zona attiva : BE polarizzata direttamente
a è la frazione di elettroni che dall’emettitore
passa nel collettore, dopo avere attraversato la
base (a ~ 1, poiché la base è poco drogata ed è
stretta) b= a/(1-a) molto grande.
Riducendo ulteriormente la larghezza della base, la probabilità che un elettrone venga
catturato da una lacuna nella base, (1-a), diminuirà ulteriormente, a aumenterà e così b.
Aumentando la polarizzazione inversa della giunzione BC si allarga la zona di svuotamento
del diodo BC e diminuisce la larghezza effettiva della base.
Cioè diminuisce la probabilità che un elettrone venga catturato nella base (1-a) diminuisce
a aumenta e aumenta b
se a passa da 0.995 a 0.996 (+ 1‰), b varia da 199 a 249 (+ 25 %)
In conclusione: per IB costante il guadagno del transistor aumenta aumentando VCE le rette
non sono orizzontali ma inclinate
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
Che succede se aumentiamo il modulo di VGS (<0) con VDS =0?
La zona di svuotamento nel canale si allarga
e per un certo valore di VGS = VP il
canale si chiude completamente,
S
D
cioè non ci sono più cariche libere disponibili.
G
S
G
D
P
Si dice che il canale è strozzato e il valore
di VGS per cui ciò avviene è detto tensione
di pinchoff VP.
La tensione di pinchoff è pari alla ddp tra il gate ed il punto P dove il canale si
chiude completamente.
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).
zone di funzionamento del JFET
costante legge di Ohm
1. zona ohmica: VDS è piccola e il canale è ancora aperto.
|VP|
VGS=0
IDS = Kp [2(VGS-VP)VDS –V2DS] Kp [2(VGS-VP)VDS]
con 0 < VDS≤(VGS-VP)
Kp =
IDSS/V2P
per VDS<<|VP|
2. zona di saturazione: VDS>(VGS –VP), IDS costante.
IDS=Kp(VGS-VP)2 dove VP ≤VGS ≤0
Il luogo dei punti di pinchoff (separazione tra zona
ohmica e di saturazione) si ottiene ponendo VGS = VDS +VP
IDS = KpV2DS = eq.parabola
3. zona di interdizione: VGS < VP (con VP<0).
In questa zona IDS =0.
4. zona di breakdown: VDS è così elevata da causare un brusco aumento della corrente ed
eventualmente la rottura del transistor.
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
dispositivi CMOS
+VDD
Q2
carico
PMOS
vi
+
vo
pilota
NMOS
Q1
PMOS e NMOS entrambi ad arricchimento
connessi in serie
terminali D (Drain) collegati in serie
tensione di uscita dal nodo dei D
Gate comune. Al G viene applicato il segnale di
ingresso.
la tensione di ingresso può variare da
V(0) = 0 a V(1) = VDD
Se vi <VT NMOS in interdizione
PMOS in conduzione
vo
PMOS
NMOS
tensione di ingresso è bassa
tensione di uscita è alta ed è pari a VDD
per vi =0 si ha VGS1 = 0 Q1 è interdetto
VGS2 = -VDD Q2 è acceso, ma la corrente è nulla
VDS2 =0 e vo= VDD
vi = V(0) vo = V(1)
+VDD
Q2
carico
PMOS
vi
+
vo
-
poiché D e S dei due transistor sono in serie nel
canale del NMOS non passa mai corrente
utilizzato in applicazioni digitali
pilota NMOS al quale è connesso un PMOS come carico.
Supponiamo che la tensione di soglia sia la stessa ed
uguale a VDD/2.
Ricordate che NMOS conduce se VGs >0
e PMOS conduce se VGs< 0
pilota
NMOS
Q1
per vi = VDD = VGS1 Q1 è acceso
VGS2 = 0 Q2 è spento
la corrente è nulla
e quindi vo= 0
vi = V(1) vo = V(0)
Se vi >VT NMOS in conduzione
PMOS in interdizione
+
PMOS
vo
-
NMOS
tensione di ingresso alta
tensione di uscita è bassa
Un circuito di questo tipo rappresenta un invertitore, cioè una porta logica NOT
