Elettronica I – Circuiti con diodi
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Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione Valentino Liberali Dipartimento di Tecnologie dell’Informazione Università di Milano, 26013 Crema e-mail: [email protected] http://www.dti.unimi.it/˜liberali Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 1 Esempio 1: circuito raddrizzatore + + vD + D vOUT R vIN - vIN (t) = V0 sin 2π f t, con V0 = 10 V, f = 50 Hz D: diodo in silicio con Vγ = 0.7 V R = 1 kΩ Ricavare la tensione di uscita vOUT in funzione del tempo. Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 2 1 Esempio 2: circuito logico “OR” R2 D2 R1 D1 v2 v1 + vOUT R3 - R1 = R2 = 50 Ω; R3 = 1 kΩ D1 , D2 : diodi in silicio con Vγ = 0.7 V Ricavare la tensione di uscita vOUT in funzione degli ingressi v1 e v2 , che possono assumere indipendentemente i due valori di tensione: 0 V (corrispondente al bit “0”) e 5 V (corrispondente al bit “1”). Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 3 Esempio 3: circuito logico “AND” VDD R2 D2 v2 v1 R3 + R1 D1 vOUT - R1 = R2 = 50 Ω; R3 = 1 kΩ; VDD = 5 V D1 , D2 : diodi in silicio con Vγ = 0.7 V Ricavare la tensione di uscita vOUT in funzione di v1 e v2 . Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 4 2 Concentrazione dei portatori (1/5) In un diodo indichiamo le concentrazioni dei portatori con due lettere: la prima indica il tipo di portatori; il pedice denota il tipo di materiale. p p = concentrazione di lacune nel semiconduttore di tipo p n p = concentrazione di elettroni nel semiconduttore di tipo p nn = concentrazione di elettroni nel semiconduttore di tipo n pn = concentrazione di lacune nel semiconduttore di tipo n p p n p = pn nn = n2i (legge dell’azione di massa) pp ≫ np ; nn ≫ pn Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 5 Concentrazione dei portatori (2/5) In ascissa: distanza dalla giunzione (x = 0 è la giunzione) In ordinata: concentrazioni dei portatori pp nn p pn np x=0 n x Giunzione polarizzata inversamente La regione di carica spaziale (attorno a x = 0) è completamente svuotata. Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 6 3 Concentrazione dei portatori (3/5) In ascissa: distanza dalla giunzione (x = 0 è la giunzione) In ordinata: concentrazioni dei portatori pp nn np p pn npo n pno x=0 x Giunzione polarizzata direttamente Iniezione di portatori: le lacune vengono iniettate dalla regione p nella regione n; gli elettroni vengono iniettati dalla regione n nella regione p (condizione di non equilibrio). Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 7 Concentrazione dei portatori (4/5) pp nn np p pn npo x=0 n pno x Giunzione polarizzata direttamente Per effetto della ricombinazione, la concentrazione di portatori diminuisce allontanandosi dalla giunzione, con andamento esponenziale: x n p (x) = n p (0)e Ln + n po pn (x) = pn (0)e − Lxp + pno Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 8 4 Concentrazione dei portatori (5/5) pp nn np p pn npo x=0 x n p (x) = n p (0)e Ln + n po n pno x pn (x) = pn (0)e − Lxp + pno pno , n po : concentrazione di portatori minoritari in assenza di iniezione pn (0), n p (0): iniezione di portatori nella giunzione (x = 0) Ln , L p (costanti): lunghezze di diffusione degli elettroni e delle lacune; Ln > L p perché gli elettroni sono più mobili delle lacune. Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 9 Corrente nella giunzione p-n La corrente in un diodo è dovuta ad entrambi i tipi di portatori: I = I p + In I p = corrente dovuta alle lacune iniettate da p a n In = corrente dovuta agli elettroni iniettati da n a p È maggiore la corrente dovuta ai portatori provenienti dal lato più drogato. Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 10 5 Transistore bipolare a giunzione (1/5) (BJT = Bipolar Junction Transistor) È costituito da DUE giunzioni p-n separate da una distanza minore della lunghezza di diffusione dei portatori: xB < L p E emettitore p B base C collettore n p xB Può essere di tipo pnp (figura) oppure npn. Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 11 Transistore bipolare a giunzione (2/5) E emettitore p B base n C collettore p xB E = emettitore (emitter ) B = base (base) C = collettore (collector ) Quando la giunzione E-B è polarizzata direttamente e la giunzione C-B è polarizzata inversamente si ha l’effetto transistor. Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 12 6 Transistore bipolare a giunzione (3/5) = lacune IE E p = elettroni B C n IC p ricombinazione regione di svuotamento IB Giunzione E-B: iniezione di portatori Base sottile (xB ≪ L p ): la maggior parte delle lacune iniettate raggiunge la giunzione di collettore senza ricombinarsi Giunzione C-B polarizzata inversamente: le lacune vengono attirate verso C dal potenziale di giunzione Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 13 Transistore bipolare a giunzione (4/5) EMETTITORE PIÙ DROGATO DELLA BASE per avere una corrente dovuta quasi esclusivamente ai portatori iniettati dall’emettitore (lacune per un transistore pnp; elettroni per un transistore npn) BASE SOTTILE per avere poca ricombinazione di portatori nella base Quando la giunzione E-B è polarizzata direttamente e la giunzione C-B è polarizzata inversamente (regione attiva), quasi tutti i portatori iniettati dall’emettitore attraversano la base senza ricombinarsi e vengono raccolti dal collettore IC = αIE con α quasi uguale a 1 (ma α < 1 perché c’è IB ) Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 14 7 Transistore bipolare a giunzione (5/5) = lacune E IE = elettroni B p C n p ricombinazione regione di svuotamento IB IC = αIE IC IE = IC + IB IB = (1 − α)IE (di solito in regione attiva IB è trascurabile) Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 15 Simbolo del transistore bipolare IE E C IC VEB IB B VCB Transistore PNP IE E C IC VBE VBC IB B Transistore NPN Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 16 8 Guadagno di corrente del BJT (1/2) IE E C IC VEB IB B VCB IC = αIE IE = IC + IB IB = (1 − α)IE α IB = βIB IC = 1−α β = guadagno di corrente Normalmente, β ≫ 1. Ad esempio, se α = 0.99, β ≈ 100. Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 17 Guadagno di corrente del BJT (2/2) Il transistore bipolare polarizzato in regione attiva (giunzione E-B in diretta, giunzione C-B in inversa) si comporta da amplificatore di corrente (generatore di corrente controllato in corrente). La corrente di ingresso è la corrente di base IB La corrente di uscita è la corrente di collettore IC Il guadagno di corrente è β: β= α 1 ≈ (se α ≈ 1) 1−α 1−α Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 18 9 Regioni di funzionamento del BJT (1/2) giunzione E-B giunzione C-B funzionamento inversa inversa interdizione (spento, “off” ) diretta inversa regione attiva (diretta) diretta diretta saturazione inversa diretta regione attiva (inversa) Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 19 Regioni di funzionamento del BJT (2/2) Quando il transistore è in interdizione (spento), le correnti sono nulle: IB = IC = IE = 0 Quando il transistore è in saturazione, la differenza di potenziale tra E e C è trascurabile: VEB = Vγ VCB = Vγ VCE ≈ 0 Quando il transistore è in regione attiva: VEB = Vγ IC = βIB Elettronica I – Circuiti con diodi; introduzione al transistore bipolare a giunzione – p. 20 10
