Bipolar Junction Transistors

Bipolar Junction Transistors
Struttura di un BJT ideale
IC
Collector (N)
IB
Base (P)

VBE
Emitter (N)





VCE

IE
Emitter (P)

VEB

Base (N)
IB
Collector (P)
IE

VEC

 IC
sandwich NPN o PNP
la Base è molto sottile
un buon BJT soddisfa le relazioni:
IC   I E
I C  I B
IC  I S e
qVBE
kT
BJT – Struttura Planare
Struttura planare sviluppata da Fairchild verso
la fine degli anni ‘50
Lo spessore di base è fissato dalla profondità diffusione di p ed n
Sezione di un BJT moderno


sandwich npn verticale
lo strato sepolto n+ è un collegamento a bassa
resistenza verso il contatto di collettore
Layout del BJT


L’area di emettitore è un parametro fondamentale
Si possono realizzare strutture interdigitate (multi-finger) per ridurre la
resistenza di base
Principio di funzionamento
BJT NPN

Diagramma a bande in
assenza di polarizzazione

Nelle tre regioni c’è
disponibilità di portatori,
ma la presenza delle
giunzioni impedisce il loro
passaggio da regione a
regione


Applicazione di una
modesta ddp fra B e C, tale
da aumentare il campo
elettrico nella giunzione BC (pol. inversa)
Allargamento della regione
di carica spaziale B-C




Aggiunta di una polarizzazione
diretta fra B ed E
Iniezione di elettroni da E verso B
Diffusione verso la giunzione B-C
La corrente di collettore è
“regolata” dalla tensione di
polarizzazione E-B


Alcuni elettroni liberi in base
si ricombinano con lacune
libere
Dunque la regione di base
“perde” lacune, che devono
essere reintegrate da una
corrente di lacune entrante
dal contatto di base

regione svuotata
metallo
Correnti di diffusione
In prima approssimazione, le distribuzioni dei portatori minoritari
nella base e nell’emettitore sostengono correnti di diffusione
costanti lungo x
Correnti nel BJT
La corrente di collettore coincide (quasi) con quella
di emettitore
IC   F I E
Kirchhoff:
 F  .999
I E  IC  I B
Guadagno di corrente DC:
IC   F I E   F ( I B  IC )
F
IC 
IB  F IB
1F
F
.999
F 

 999
1   F .001
Origine del parametro αF
Alla giunzione base-emettitore c’è un’iniezione di
lacune verso l’emettitore, dunque la corrente di base
non è nulla.
Inoltre una parte di elettroni si ricombina in base
E
B
C
Corrente di Collettore
E’ circa pari alla corrente di diffusione di elettroni
(provenienti dall’Emettitore) attraverso la base:
J
diff
n
 qDn n pB 0  qVkTBE
 qDn

e
dx  WB 
dn p
 qDn n pB 0 AE 
IS  

WB


IC  I S e
qVBE
kT
Corrente di Base
E’ circa pari alla diffusione di lacune attraverso l’emitter:
J pdiff
dpnE  qD p pnE 0  qVkTBE
 qD p

e
dx  WE 
 qD p pnE 0 AE
IB  
WE

 qVkTBE
e

Guadagno di Corrente
 qDn n pBo AE 

 
W
IC 
Dn   n pB 0   WE 
B


F  
 



qD
p
A
I B  p nEo E   D p   pnE 0   WB 


W
E


Minimizzare lo spessore di base
ni2
 n pB 0  N A, B N D , E

 2 
ni
N A, B
 pnE 0 
N D,E
Massimizzare il drogaggio
di emitter
Ma attenzione al BANDGAP NARROWING
Corrente di Base: componente di
ricombinazione
I B ,ric 
I B ,ric
Qn
b
(Modello a controllo di carica)
2
B i
1 qAEW n vBE
Qn 
e
2 NA
2
B i
1 qAEW n vBE
e

2 b
NA
IB
VT
2
VT
Controllo di IC attraverso IB
Saturation Region
(Low Output Resistance)
Breakdown
Linear Increase
Reverse Active
Forward Active
Region
(Very High Output Resistance)
Controllo di IC attraverso la tensione di
base-emettitore
Saturation Region
(Low Output Resistance)
~0.3V
Breakdown
Exponential Increase
Reverse Active
Forward Active
Region
(High Output Resistance)
Modello avanzato della Ic
La corrente di lacune in base è quasi nulla:
dunque:
1 dp
E  VT
p dx
dp
 q  p pE  0
J p  qD p
dx
Se il drogaggio di base è costante, allora E=0,
ma in genere non è così perché il drogaggio
diminuisce muovendosi verso il collettore
Con E0, la corrente di elettroni in base è sostenuta sia dalla diffusione che dal
trascinamento:
Dn  dp
dn
dn 
 q n nE  q
J n  qDn
n  p 
dx
p  dx
dx 
Dn d ( pn)
Jn  q
p dx
Integrando fra due generiche ascisse x e x’ si ha:
x'
Jn 
x
ed integrando attraverso la base:
Jn  q
ovvero (legge della giunzione):
x'
p dx
  d  pn 
q Dn x
p WB  n WB   p (0)n(0)
WB

o
p
dx
Dn
VBC
VBC
VBE
VBE




VT
VT
VT
VT
2
2
qni e  e 
qni e  e 





 JC
Jn 
WB
WB
1
p
pdx
o Dn dx

Dn o
Modello di Ebers-Moll
Modello circuitale (utilizzato nei simulatori SPICE):
diodi + generatori di corrente controllati in corrente
 VVBE

I F  I ES  e T  1




 VVBC

I R  I CS  e T  1




IE  IF   R IR
IC   I R   F I F
Equazioni di Ebers-Moll




I E   I ES eVBE / Vth  1   R I CS eVBC / Vth  1

I C   F I ES e
VBE / Vth


 1  I CS e
 F I ES   R I CS
VBC / Vth

1
Es: regione attiva diretta
Valori tipici:
VBE  0.7
VCE  0.2
VBC  0.5
Fenomeni parassiti nel BJT
Effetto Early
Saturation region
Active region
VBE3
VBE2
VBE1
-VA

VCE
Early Effect
– La corrente in regione attiva dipende leggermente da vCE
– VA è un parametro del BJT (normalmente da 50 a 100 V) chiamato
“tensione di Early”
– Una pendenza non nulla implica che la resistenza di uscita non è
infinita
Effetto Early


E’ dovuto al progressivo svuotamento della base a cavallo
della giunzione C-B all’aumentare di VCB (modulazione dello
spessore di base)
Una base più corta implica un aumento della corrente di
diffusione
EBJ
CBJ
dn/dx
Wbase
VCB > VCB
Resistenza di collettore, rC
Riduce la pendenza
della caratteristica in
regione di saturazione
In regione attiva il
dispositivo
è
un
generatore di corrente e
dunque la rc in serie ha
un effetto trascurabile
Peggiora il funzionamento in applicazioni
switching e ad alte
frequenze
Resistenza di base, rB


Ha effetti principalmente sul funzionamento a piccoli
segnali (fequenza max)
Riduce della quantità IBrB la tensione effettivamente
applicata alla giunzione B-E
Resistenza di emettitore, rE
Riduce di una
quantità IErE la
Vbe effettivamente
applicata alla
giunzione BE
GUMMEL PLOT
Alle medie polarizzazioni il βè abbastanza indipendente
da VBE (o da Ic)
Alle polarizzazioni elevate il βdiminuisce
Uno dei motivi della riduzione del βalle elevate correnti è
l’aumento della concentrazione dei portatori maggioritari
(h) conseguente al raggiungimento di elevati livelli di
iniezione di elettroni

qn e  e

Jn 
WB
1
pdx

Dn o
2
i
VBC
VT
VBE
VT



Il βsi riduce anche alle basse polarizzazioni, perchè la IB è
sostenuta principalmente dalla ricombinazione nella rcs (non
utile ai fini dell’iniezione in base)
Breakdown




I limiti fisici sono riconducibili a quelli delle giunzioni pn
C’è però una dipendenza dal circuito esterno di polarizzazione
Nella configurazione a base comune, la tensione massima fra base e
collettore con emettitore aperto, BVCBO , è determinata dalla
moltiplicazione a valanga attraverso la regione svuotata della giunzione
CB
Nella configurazione ad emettitore comune, la massima tensione fra E e C
con base aperta, BVCEO , può essere molto più piccola della BVCBO
BVCEO  BVCBO 1   
n
con 2 < n < 4
BVCBO
n
