Elettronica I – Circuiti con diodi

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