Il transistor bipolare a giunzione (bjt)

Sommario
Il transistor bipolare a giunzione (bjt)
Dispositivi elettronici
come è fatto un bjt
principi di funzionamento
(giunzione a base corta)
effetto transistor (WB<<LB)
effetto di amplificazione (NE>>NB)
calcolo delle correnti ai tre terminali
modelli equivalenti
caratteristiche di uscita
effetto Early
struttura di un bjt moderno
Il transistor bipolare
a giunzione (bjt)
Emettitore
(E)
npn – bjt
pnp – bjt
(bipolar junction transistor)
(bipolar junction transistor)
WB
WB
tipo-p
tipo-n
tipo-n
regione di regione di regione di
Base
Collettore
Emettitore
(B)
(C)
(E)
Giunzione
Base-e mettitore
(EBJ)
(B)
Base
Collettore
(C)
Giunzione
Base-c ollettore
(CBJ)
Transistor bipolare a giunzione
modi di funzionamento
Giunzione
Giunzione
Base-emettitore Base-collettore
(EBJ)
(CBJ)
MODO
Inversa
Inversa
SPENTO
Diretta
Diretta
SATURAZIONE
Diretta
Inversa
ATTIVA Diretta
Inversa
Diretta
ATTIVA Inversa
Emettitore
(E)
tipo-n
tipo-p
tipo-p
regione di regione di regione di
Base
Collettore
Emettitore
(B)
(C)
(E)
Giunzione
Base-e mettitore
(EBJ)
(B)
Base
Collettore
(C)
Giunzione
Base-c ollettore
(CBJ)
Transistor bipolare a giunzione
Il bjt per avere un corretto funzionamento
deve avere due caratteristiche principali:
Spessore di base molto sottile se confrontato
con la lunghezza di diffusione dei portatori
minoritari nella base (per avere effetto
transistor):
WB << LB
Drogaggio di emettitore molto maggiore del
drogaggio di base (per avere amplificazione):
NE >> NB (> NC)
1
Transistor bipolare a giunzione
Principio di
Funzionamento
IE
(trascuriamo lo spessore delle RCS)
Quindi se la base del transistor non è “stretta”, tutti
gli elettroni iniettati dall’emettitore si ricombinano in base
e la giunzione BC polarizzata in inversa non dà nessun
contributo (quasi). È come se fosse:
E
IC
IB
IE
E
C
I =I
QUINDI: IE = 0B
C
B
IB
IC
C
NON HO NESSUN
EFFETTO TRANSISTOR
Transistor bipolare a giunzione
WB << LB, NE = NB
Base stretta
n (emitter)
p (base)
n (collector)
IC
IB
El. Inj
El. Ric.
E
LE
Giunzione polarizzata
direttamente
Lac. Inj
IE
p (base)
IB
La giunzione BC
polarizzata in inversa
“raccoglie” tutti gli
elettroni.
Giunzione polarizzata
inversamente
Lac. Inj
Lac. Ric.
Giunzione
Polarizzata
direttamente
Transistor bipolare a giunzione
Cosa succede se WB >> LB, NE = NB
B
n (emitter)
El. Inj
El. Ric.
• Considero un bjt npn
• In polarizzazione attiva diretta
• Nel quale non siano soddisfatte le due
condizioni precedentemente descritte.
Sia quindi: WB >> LB, NE = NB
IE
Transistor bipolare a giunzione
Cosa succede se WB >> LB, NE = NB
n (collector)
IC
La giunzione BC
polarizzata in inversa
fornisce una corrente
trascurabile (Is)
Giunzione
Polarizzata
inversamente
Transistor bipolare a giunzione
Principio di
funzionamento
• Considero un bjt npn
• In polarizzazione attiva diretta
• Che sia a base stretta WB << LB
(considero nulla la ric. in base)
• Con drogaggio di emettitore e
base uguali: NE = NB
Transistor bipolare a giunzione
WB << LB, NE = NB
Base stretta
Se la base del transistor è “stretta”, tutti gli
elettroni (quasi) iniettati dall’emettitore
raggiungono la giunzione BC polarizzata in inversa
(il loro tempo di permanenza in base è molto
minore del loro tempo medio di ricombinazione).
La giunzione BC polarizzata in inversa “raccoglie”
tutti gli elettroni e li spinge (grazie al campo
elettrico favorevole) verso il collettore dando così
luogo ad una corrente di collettore.
C’È EFFETTO TRANSISTOR
2
Transistor bipolare a giunzione
WB << LB, NE = NB
Base stretta
Tuttavia essendo NE = NB la corrente di base
(lacune iniettate in emettitore) è dello stesso
ordine di grandezza degli elettroni che, iniettati
dall’emettitore in base, raggiungono il collettore
(sono uguali nel caso in cui WB=LE).
QUINDI:
IC ≅ IB
C’È EFFETTO
TRANSISTOR C’È POCA
AMPLIFICAZIONE
Transistor bipolare a giunzione
Condizioni ideali WB << LB, NE >> NB
IE
n (emitter)
p (base)
IB
El. Inj
Giunzione Polarizzata
direttamente
Lac. Inj
El. Ric.
n (collector)
Transistor bipolare a giunzione
Principio di
funzionamento
• Considero un bjt npn
• In polarizzazione attiva diretta
• Che sia a base stretta WB << LB
(considero nulla la ric. in base)
• Con drogaggio di emettitore maggiore
(molto) del drogaggio di base: NE >> NB
Transistor bipolare a giunzione
Condizioni ideali: WB << LB, NE >> NB
IC
Se il drogaggio di emettitore è molto
maggiore del drogaggio di base, a fronte di
una piccola quantità di lacune iniettate in base
(per la legge della giunzione) si ha un gran
numero di elettroni iniettati dall’emettitore che
raggiungono il collettore (continua a esserci la
base stretta).
A fronte di poche
lacune iniettate in
base, nel
collettore
arrivano molti
elettroni!
C’È EFFETTO
TRANSISTOR E ANCHE
AMPLIFICAZIONE
QUINDI: IC >> IB
IE ≅ IC
Giunzione Polarizzata
inversamente
Transistor bipolare a giunzione
Analisi semplificata
• Considero un bjt npn
• In polarizzazione attiva diretta
• Che sia a base stretta WB << LB
(non trascuro la ricombinazione in base)
• Con drogaggio di emettitore maggiore
(molto) del drogaggio di base: NE >> NB
• Trascuro il contributo della BCJ
(polarizzata in inversa)
• Trascuro la Gen/Ric nelle RCS
(peraltro mai considerate)
Transistor bipolare a giunzione
Analisi semplificata
IE
n (emitter)
p (base)
n (collector)
IC
IB
IE
InB
InC
IC
IRB
IpE
IB
3
Transistor bipolare a giunzione
Analisi semplificata
Transistor bipolare a giunzione
Analisi semplificata (InB)
n (emitter)
• Indichiamo con VE e VC le tensioni
applicate alle giunzioni Base_Emettitore e
Base-Collettore rispettivamente, con la
convenzione che tali tensioni si intendono
positive in caso di polarizzazione diretta e
negative in caso di polarizzazione inversa
• In polarizzazione attiva diretta sarà
quindi: VE > 0, VC < 0.
Transistor bipolare a giunzione
Analisi semplificata (IC)
n (emitter)
p (base)
n (collector)
IC
InB ≈ InC
pE(0)
pE0
pC0
X=0
x
WB
VE
IC = −InC = −InB
InB
pE(0)
pE0
pC0
VE
nB (0) = nB 0 e VT
x
WB
X=0
InB (x) = AEqDB
dnB (x )
 n (0) 
= − AEqDB  B 
dx
 WB 
Transistor bipolare a giunzione
Analisi semplificata (IB)
nB(0)
p (base)
WB
pE(0)
n (collector)
VE

 A qD n2 
IpE =  E E i  e VT − 1


 NELE 

VE
Qn
pC0
pE0
IpE
x
IRB
VE
 A qD n2 
=  E B i e VT = ISe VT
 NB WB 
Transistor bipolare a giunzione
Analisi semplificata (IB)
n (collector)
nB(0)
n (emitter)
NOTA:
non ho
considerato la
IRB in quanto
InC>>IRB
e quindi
InB ≅InC= -IC
nB(0)
p (base)
IRB =
Qn
τb
 A qD n2 
≅  E E i  e VT
 NELE 
Dalla legge
della giunzione
Qn=carica di minoritari in base
τb=tempo di vita dei minoritari
Transistor bipolare a giunzione
Analisi semplificata (IB)
VE
Q n = AEq
nB (0)WB
n2 W
= AEq i B e VT
2
2NB
IRB = AEq
ni2 WB
e
2NB τb
β=
VE
VT
VE
D N W
WB2  VT IC
e =
IB = IpE + IRB = IS  E B B +
β
 DB NE LE 2DB τb 
WB2  WB 
=

DBτ b  LB 
2
1
DE NB WB
WB2
+
DB NE LE 2DB τb
β=Guadagno di
corrente ad
emettitore comune
Per avere valori di β elevati bisogne avere:
Base stretta (WB piccolo) e poco drogata
rispetto all’emettitore (NB/NE piccolo)
4
Transistor bipolare a giunzione
Funz. in zona ATTIVA DIRETTA
IC = IS e
VE
VT
IE = IB + IC =
I 
IB = =  S  e
β β
IC
VE
VT
β+1
IE =
ISe
β
IC = αIE
VE
I 
IE = =  S  e VT
α α 
IC
α=
β+1
IC
β
VE
VT
Transistor bipolare a giunzione
Modello circuitale
IC
IB
B
C
vBE
_
β
α
β=
1− α
β+1
IN ZONA
ATTIVA DIRETTA
IC = β IB
+
B
IE
+
E
IE = ( β + 1) IB
Giunzione
Base-emettitore
Giunzione
Base-collettore
MODO
Diretta
Diretta
SATURAZIONE
n (emitter)
p (base)
n (collector)
Eccesso di portatori
accumulati in base
che danno problemi
nella commutazione
Giunzioni polarizzate
direttamente
IE
Transistor bipolare a giunzione
Funz. in INTERDIZIONE
Giunzione
Giunzione
Base-emettitore Base-collettore
Inversa
Inversa
n (emitter)
Giunzioni polarizzate
inversamente
MODO
IN ZONA DI
SATURAZIONE
≅ 0.5 V
IB
+
B
-
IC
C
Le correnti
IB, IC e IE sono
determinate
dal circuito
esterno
+
≅ 0.7 V _
VCE ≅ 0.2 V
E
IC < β IB
IE = IC + IB
Transistor bipolare a giunzione
Modello circuitale
IN INTERDIZIONE
SPENTO
p (base)
E IE = ( β + 1) IB
Transistor bipolare a giunzione
Modello circuitale
IE
IC < β IB
C
IC = β IB
0.7 V _
α=Guadagno di corrente a base comune
Transistor bipolare a giunzione
Funz. in zona di SATURAZIONE
IC
IB
IC
IB
n (collector)
B
IC = 0
IC = 0
IB = 0
IE = 0
C
IE
E
IB = 0
IE = 0
Trascurando la corrente di saturazione inversa
5
Transistor bipolare a giunzione
Funz. in ATTIVA INVERSA
Giunzione
Base-emettitore
Giunzione
Base-collettore
MODO
Inversa
Diretta
ATTIVA Inversa
Transistor bipolare a giunzione
Simboli circuitale e convenzioni
C
IB
In zona attiva inversa, c’è ancora effetto transistor, ma c’è poca
amplificazione (anche < 1, vedremo dopo che il bjt non e’
simmetrico). Tale configurazione NON VIENE MAI USATA!
n (emitter)
p (base)
Giunzione
polarizzata
inversamente
Transistor bipolare a giunzione
Caratt. ad Emettitore Comune
IC
Saturazione
IC
(mA)
Attiva
5
50 µA
4
3
40 µA
30 µA
2
20 µA
1
IB=10 µA
1
VCE (V)
B
E
2
p (base)
PE(0)
(elevati valori di VCB)
n (collector)
pC0
W
WB
InB = A E qDB
VCB
InB
dnB (x)
 n (0) 
= A E qDB  − B 
dx
 W 
(bassi valori
di VCB)
InB dipende dal gradiente
di concentrazione di
elettroni in base
Transistor bipolare a giunzione
EFFETTO EARLY
Aumentando VCE, aumenta molto la tensione di
polarizzazione inversa della giunzione BC, al contrario, la
tensione polarizzazione diretta della giunzione BE rimane
praticamente invariata a circa 0.7 V.
n (collector)
Si ha quindi un allargamento della RCS della giunzione
BC che induce una diminuzione di W.
pC0
W
W
p (base)
pE0
β = 100
InB
pE0
IC
Transistor bipolare a giunzione
EFFETTO EARLY
VCE
np(0)
PE(0)
C
IE
nB(0)
Transistor bipolare a giunzione
EFFETTO EARLY
n (emitter)
pnp
B
La freccia presente nel terminale di emettitore indica il
verso della corrente. Con la convenzione adottata nel
verso delle correnti, nel normale funzionamento, si
troveranno sempre correnti positive.
+
_
npn
E
n (emitter)
Dalla trattazione
semplificata, non
Interdizione c’è dipendenza da
VCE (V)
0
0
C
IB
IE
IB
B
n (collector)
Giunzione polarizzata
direttamente
E
IC
VCB
Questo comporta due conseguenze principali:
• Aumento del gradiente di concentrazione di elettroni in
base con il conseguente aumento di (InB)
• Riduzione della corrente di ricombinazione in base.
Entrambi questi effetti contribuiscono ad aumentare IC
6
Transistor bipolare a giunzione
Transistor bipolare a giunzione
EFFETTO EARLY: caratteristiche di
uscita ad emettitore comune
VBE5
IC
(mA)
VBE4
4
-VA
VBE2
3
2
VBE1
1
0
0
1
2
VCE (V)
Transistor bipolare a giunzione
bjt ottimizzato
Per ridurre l’effetto Early si deve drogare meno il
collettore rispetto alla base. In questo modo, la
RCS della giunzione BC si estenderà quasi
completamente nel collettore riducendo così
l’effetto della modulazione di W.
In definitiva, un buon transistor bipolare dovrà
soddisfare alla seguente condizione: NE>>NB>NC.
Il bjt non è quindi un dispositivo simmetrico.
Domanda: Cosa succede invertendo l’emettitore
con il collettore?
Transistor bipolare a giunzione
Limiti di tensione e corrente:
Nella trattazione semplificata fatta, si è sempre trascurato la
corrente della giunzione base collettore. Ciò è giustificato
dal fatto che, in zona attiva diretta, tale giunzione è sempre
polarizzata in inversa.
Bisogna comunque evitare che tale giunzione raggiunga la
tensione di rottura (breakdown) ponendo quindi un limite
alla massima tensione applicabile al transistor.
Una ulteriore limitazione, sulla massima tensione e
corrente, è legata alla massima potenza dissipabile dal
transistor. Elevate potenze dissipate danno luogo a
fenomeni di autoriscaldamento non trascurabili, che
possono portare alla distruzione del dispositivo stesso.
VBE5
IC
(mA)

VCE 
1+

VA  Tensione

VBE4
VBE3
5
4
VBE2
3
di Early
VBE3
5
Tensione
di Early
IC = IS e
VBE
VT
2
-VA
VBE1
1
0
−1
 ∆I


r0 =  C
 ∆VCE VBE cos t 
V + VCE VA
= A
≅
IC
IC
0
1
2
VCE (V)
r0 ha importanti ripercussioni
sul funzionamento
del transistor come amplificatore
Transistor bipolare a giunzione
bjt ottimizzato
n (emitter)
p (base)
n (collector)
np(0)
PE(0)
pC0
pE0
W
W
VCB
(elevati valori di VCB)
Transistor bipolare a giunzione
Struttura dei transistor attuali
B
E
C
p
n+
n+
nn+
Si-p
bulk
7
Transistor bipolare a giunzione
Struttura dei transistor attuali
B
E
rB
n-
n+ Emettitore
p base
n- collettore
n+ subcollettore
Serve a ridurre
la resistenza di
collettore.
Cosa ci impedisce la realizzazione di una base “molto
sottile” che avrebbe ottimi riscontri sia sul guadagno
che sulla risposta in frequenza?
Riducendo W:
a) Aumenta la resistenza parassita di base;
b) Aumenta il problema del punch-trough.
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