6 - UniNa STiDuE

6.6. IL TRANSISTORE BIPOLARE A GIUNZIONI
Il transistore bipolare a giunzioni è costituito da una successione nello stesso cristallo di tre zone
drogate con polarità opposta. Avremo quindi i transistori NPN e PNP. Il transistore bipolare
presenta un emettitore, una base e un collettore. La base corrisponde al gate dei FET e permette di
controllare la corrente che passa dall’emettitore al collettore. La figura 6.1 riporta un disegno
puramente di principio dei due tipi di transistori e il relativo simbolo. Il verso della freccia, che va
posta sull’emettitore, indica il verso della corrente per polarizzazione diretta della giunzione
emettitore – base. Per quanto riguarda l’effettiva struttura del transistore, molte sono le soluzioni
tecnologiche che sono state sviluppate a seconda delle prestazioni richieste al dispositivo, in termini
soprattutto di potenza e di frequenza di funzionamento. Mostreremo più avanti, a puro titolo di
esempio, un transistore NPN integrato. Il BJT è asimmetrico, sia dal punto di vista geometrico che
del drogaggio.
Per quanto riguarda il funzionamento del
C
dispositivo, ognuna delle due giunzioni può
E
C
essere
polarizzata
direttamente
o
B
p
n
n
inversamente. La tabella 1 riporta le tre
possibili situazioni e il corrispondente stato o
B
E
E
tipo di funzionamento del transistore.
La situazione in cui la giunzione BE è
polarizzata direttamente e quella BC
inversamente si dice di polarizzazione
n
p
p
normale e caratterizza il funzionamento del
transistore in zona attiva. In questa situazione
i portatori di maggioranza dall’emettitore
Fig.6.1: Schema di principio e simboli dei transistori
possono diffondere nella base. In questa
bipolari a giunzione NPN e PNP.
Tabella 1. Stato del BJT a seconda della polarizzazione delle giunzioni.
Polarizzazione delle giunzioni
Tipo di funzionamento del BJT
BE
BC
Interdizione
Inversa
inversa
Zona attiva
diretta
inversa
Saturazione
diretta
diretta
divengono cariche di minoranza e vengono drenati verso il collettore dal forte campo elettrico della
giunzione di collettore. Se la base è sottile e poco drogata sono pochi i portatori che si ricombinano
nella base e sono pochi anche i portatori di maggioranza della base che diffondono verso
l’emettitore. Esiste anche una corrente inversa, piccola, dei portatori di minoranza dal collettore
verso la base. In sostanza, l’effetto preponderante consiste nel passaggio di quasi tutta la corrente
dell’emettitore verso il collettore. Con riferimento alla fig.6.2, che riporta lo schema di un
transistore NPN in polarizzazione normale e in cui si sono scelti come versi positivi per le correnti
quelli entranti, potremo scrivere che
I C   I E ,
dove , se il transistore è costruito in modo opportuno, assume valori tipici di 0,980,99.
Considerando il transistore come un nodo di corrente, deve anche essere:
IC  I E  I B  0
e combinando questa relazione con la precedente si ha:
I
IC  C  I B  0 ,

da cui
 1
IC (
)  I B

e infine

IC  I B
1

Ponendo  
,
1
si ha
I C  I B ,
espressione che, sia pure semplificata, traduce l’effetto fondamentale del transistore a giunzioni. Il
parametro , se  vale 0,99, vale tipicamente intorno a 100. In effetti i valori di  sono
generalmente compresi fra 10 e 400. Quindi si può dire che una piccola corrente di base IB controlla
una corrente di collettore IC molto più forte. L’espressione andrebbe poi completata nella
I C  I B  I C 0 ,
aggiungendo una corrente IC0, che è
legata alla corrente inversa dei
E
C
portatori di minoranza della zona di
p
n
n
collettore. Questa corrente cresce al
IE
IC
VCE >> VBE
crescere della temperatura e quindi ha
IB
VBE
B
importanza nelle questioni legate alla
stabilità al variare della temperatura
VCE
del punto di lavoro.
Purché VCE >> VBE, in modo che VCB
sia sufficientemente inversa, la
Fig.6.2: Correnti in un transistore e polarizzazione normale per
corrente IC resta praticamente costante
un NPN.
al variare di VCE: Possono quindi
venire
tracciate
delle
curve,
caratteristiche di uscita, che riportano IC in funzione di VCE, utilizzando VBE come parametro di
controllo. Tuttavia la dipendenza tra IC e VBE non è
lineare e si preferisce quindi utilizzare come parametro la
IC
Zona attiva
corrente IB sfruttando la relazione I C  I B . Al diminuire
di VCE si giunge a una situazione (per VCE dell’ordine di
IB = cost
0,1 0,2 V) in cui anche la giunzione collettore base è
polarizzata direttamente. In questo caso il transistore si
comporta praticamente come un corto circuito; questa
zona di funzionamento si chiama di saturazione (il
VCE
termine non ha nulla a che vedere con lo stesso termine
usato per caratterizzare una zona di funzionamento dei
Fig.6.3: Caratteristiche di un MOS ad
FET)
arricchimento.
Il BJT può quindi lavorare, in circuiti logici, tra
interdizione e saturazione oppure, per applicazioni
analogiche, in zona attiva. In questa zona il dispositivo si comporta, utilizzando la corrente come
parametro di controllo, da generatore di corrente pilotato in corrente, quasi ideale. In effetti in zona
attiva le caratteristiche hanno una certa pendenza, crescono leggermente al crescere di V CE , dovuta
all’effetto Early, che consiste nella riduzione della ricombinazione dei portatori in base a causa
dell’allargamento della zona di svuotamento della giunzione collettore base al crescere di VCE.
6.6.1. BJT integrati. Confronto con i MOS
Il transistore BJT integrato può assumere diverse configurazioni. La più importante è quella del
transistore NPN detto verticale, che si presenta come in fig.6.4 e, nei processi usati per produrre i
componenti di più largo uso, è il dispositivo che riesce meglio. Per questo motivo, e per ridurre il
numero di fasi di fabbricazione di un integrato, gli altri componenti, come transistori PNP, resistori
ecc, vengono realizzati con le stesse fasi di fabbricazione dell’NPN verticale. Diremo quindi per
esempio che un resistore è formato con una diffusione di base, intendendo dire: con la stessa fase
del processo che porta alla fabbricazione delle basi degli NPN verticali. La figura 6.4 riporta anche
un resistore integrato, ottenuto con una diffusione di emettitore sovrapposta a quella di base, per
ridurre lo spessore dello strato resistivo e quindi aumentare la resistenza di strato. I singoli
componenti sono ottenuti all’interno di uno strato, detto epitassiale, che viene fatto crescere al di
sopra del substrato e ne riproduce la struttura cristallina. Questa tecnica consente fra l’altro di
ottenere anche strutture profonde, come lo strato sepolto, che ha lo scopo di ridurre la resistenza
della zona di collettore. Si osservi la zona molto drogata n (diffusione di emettitore), che serve a
rendere il contatto di collettore non rettificante (effetto tunnel sul diodo Shottky Alluminio – silicio
n). Osserviamo ancora che nella tecnologia bipolare i singoli componenti devono essere realizzati
all’interno di un’isola (isola n) ottenuta nel corpo p del semiconduttore, che a sua volta è collegato
alla tensione più negativa di tutto il circuito. In questo modo si garantisce l’isolamento tra i vari
componenti. Questo accorgimento non è necessario nei MOS, si dice infatti che il MOS è una
struttura autoisolata, nel senso che le polarizzazioni assegnate al dispositivo per il suo
funzionamento sono già tali da provocarne l’isolamento rispetto agli altri componenti. Per questo
motivo, non richiedendo la presenza delle strutture di isolamento, il MOS può essere molto più
piccolo del bipolare.
NPN verticale
B
P+
Resistore “strozzato”
Alluminio
E
ossido
C
n++
n++
P
n
n++
P
+
P
n
n++
Isola n
Strato epitassiale
Strato sepolto
Substrato p
Fig.6.4: Transistore NPN integrato di tipo verticale, collegato a un resistore di
tipo strozzato.
P+