Transistor A Giunzione Bipolare
Un transistore bipolare (BJT, ossia Bipolar Junction Transistor) è un dispositivo attivo a
semiconduttore realizzato ponendo in contatto tre regioni di semiconduttore in modo da formare
due giunzioni p-n affiancate.
Il BJT è un componente elettronico attivo, ovvero in grado di controllare tramite un controllo in
ingresso una variabile in uscita maggiore di quella in ingresso. È un tripolo costituito dai tre
terminali denominati base, collettore ed emettitore. I transistor possono essere utilizzati come
interruttori controllati da una corrente (sfruttando il naturale stato di non linearità) o come
amplificatori (attribuendogli una rete di polarizzazione).
Esistono due tipi di BJT, il PNP e l’NPN:
Si distinguono quattro regioni di funzionamento di un BJT, in dipendenza della polarizzazione
imposta alle due giunzioni che costituiscono il transistore.
Con riferimento ad un BJT npn, le 4 regioni di funzionamento sono le seguenti:
o si dice che il BJT lavora in saturazione quando entrambe le giunzioni sono polarizzate in
modo diretto. Il BJT si comporta approssimativamente come un interruttore nello stato
CHIUSO;
o si dice che il BJT lavora in interdizione quando invece entrambe le giunzioni sono
polarizzate inversamente, abbiamo un interruttore nello stato APERTO, nel senso che non
fluisce corrente (o quasi) a prescindere dalla tensione applicata;
o si dice che il BJT lavora in Zona Attiva Diretta quando la giunzione base emettitore è
polarizzata direttamente mentre quella base-collettore è polarizzata inversamente: questa
condizione di funzionamento è quella che viene usata quando il BJT viene impiegato in
amplificazioni lineari
o si dice che il BJT lavora in Zona Attiva Inversa quando la giunzione base-emettitore è
polarizzata inversamente e quella base-collettore direttamente: si tratta di una condizione di
funzionamento duale rispetto a quella di prima, in quanto, adesso, il collettore si comporta
da emettitore e, viceversa, l’emettitore si comporta da collettore; ma le condizioni di
funzionamento risultano sconvenienti.
Funzionamento da amplificatore
L’uso principale che viene fatto di un BJT è come amplificatore di segnali. Affinché un BJT
funzioni da amplificatore, è necessario che esso lavori in ZAD (Zona Attiva Diretta).
In tale condizione di polarizzazione, si hanno i seguenti flussi di corrente:
elettroni che vanno dall’emettitore al collettore passando per la base;
lacune che vanno dalla base nell’emettitore:
lacune che vanno dalla collettore alla base, flusso trascurabile perché costituito da portatori
minoritari
Esiste, del resto, un ulteriore flusso di corrente da considerare, dovuto alla ricombinazione degli
elettroni con le lacune nella base: dobbiamo tenere conto di questo in quanto la ricombinazione
comporta che non tutti gli elettroni che passano dall’emettitore nella base riescono poi
effettivamente a raggiungere il terminale di collettore.
La zona di emettitore, drogata N, contiene elettroni liberi e poche lacune (poiché sono i portatori
minoritari); analoga situazione nella zona di collettore anch’essa drogata N. Invece nella base,
drogata P, gli elettroni sono in piccola quantità rispetto alla lacune; inoltre la concentrazione di
elettroni non è uniforme:
in prossimità della giunzione E-B, polarizzata direttamente, vi sono molti elettroni arrivati
dall’emettitore
vicino alla giunzione B-C, polarizzata inversamente, la concentrazione di elettroni e bassa.
Va inoltre osservato che:
la zona di svuotamento in corrispondenza della giunzione E-B è piuttosto stretta con un
campo elettrico piuttosto limitato
la zona di svuotamento della giunzione B-C è molto larga con un campo elettrico di valore
elevato.
La differenza di concentrazione di elettroni all’interno della base crea una corrente di diffusione,
che legata al gradiente di concentrazione, diffonde gli elettroni dal lato sinistro verso destra fino a
raggiungere la zona di svuotamento della giunzione B-C, qui gli elettroni trovano un forte campo
elettrico che li spinge verso il collettore. Nella base, polarizzata P, sono presenti molte lacune che
tendono a catturare gli elettroni liberi arrivati dall’emettitore, ma grazie al loro tempo di vita medio,
che li mantiene liberi prima di ricombinarsi, riescono a superare la stretta zona di base e
raggiungere la giunzione B-C. Per favorire il passaggio di elettroni la base ha una lunghezza molto
piccola.
ZONA DI EMETTITORE EMETTE I PORTATORI CHE PRODUCONO LA CORRENTE,
ZONA DI COLLETTORE LI RACCOGLIE.
Sulla superficie esterna del collettore vi è un collegamento elettrico attraverso il quale i due
generatori esterni prendono gli elettroni che arrivano nel collettore e li portano all’emettitore
consentendo un flusso continuo di cariche. Attraverso il terminale di base fluisce una piccola
corrente IB costituita da un piccolo numero di elettroni che esce dalla base per ricreare le poche
lacune che si sono ricombinate con gli elettroni.
Il verso delle correnti è contrario al verso in cui si muovono gli elettroni perche le correnti sono
prodotte da cariche negative.
Analiticamente possiamo scrivere:
con :
ICB0 corrente inversa di saturazione della giunzione B-C
a frazione di portatori che partendo dall’emettitore raggiungono il collettore, il cui valore
circa 0,99
è
applicando l’equazione delle correnti al nodo formato del BJT possiamo scrivere:
Quindi sostituendo :
Imponendo
si può scrivere
che rappresenta l’equazione fondamentale del BJT.
è il guadagno di corrente statico e può assumere valori tra 40 e 400.
Il termine
viene trascurato quando il valore IC è alto. Riveste un grande valore quando
si vuole studiare l’influenza della temperatura sul funzionamento del BJT poiché ICB0 è fortemente
influenzato dalla temperatura.
Comunemente si utilizza
quando si trascura
, con
.
guadagno di corrente statico che si sostituisce a
fig1: circuito di polarizzazione
fig2: caratteristica d’ingresso ottenuta ponendo al circuito una VCE
costante e una corrente IB variabile entrante nella base che di
conseguenza produrrà una tensione VBE proporzionale alla IB.
Da questo grafico si osserva che a tensioni di VBE minori di 0.7 Volt la corrente risulta essere molto
bassa o addirittura nulla mentre con l’aumentare della VBE si osserva il passaggio di una corrente
max nella base; da ciò si intuisce che ai capi Base-Emettitore è presente una giunzione di tipo PN
come quella dei diodi. Si può inoltre notare che attribuendo diversi valori a VCE la curva si sposterà
di poco rendendo praticamente trascurabile la relazione tra la tensione VCE e la tensione VBE.
fig3: caratteristica d’uscita
La transcaratteristica di uscita mette in relazione la corrente di collettore con la VCE e con la
corrente di base.
In questo grafico è possibile individuare tre distinte zone di lavoro del BJT:
la regione di interdizione, corrispondente ad entrambe le giunzioni polarizzate
inversamente, corrisponde alla regione adiacente all’asse delle ascisse, in quanto si
tratta di una regione nella quale la corrente che fluisce al collettore (ma anche
all’emettitore e alla base) è praticamente nulla;
la regione di saturazione, corrispondente ad entrambe le giunzioni polarizzate
direttamente, è quella adiacente all’asse delle ordinate. In saturazione si nota come
con piccole variazioni piccole variazione di VCE possono determinare una grande
variazione della corrente di collettore;
la zona attiva diretta, invece, racchiude il resto del diagramma ed è evidentemente
una zona estremamente vasta. In zona attiva
, con
guadagno di
corrente statico.
Studio della polarizzazione per via grafica
Possiamo rappresentare il punto di funzionamento sulle due caratteristiche.
Nella prima figura, curva della porta di ingresso, tracciamo una semiretta che passando dall’asse
delle ascisse a quello delle ordinate incrocia la curva determinando un punto, chiamato punto di
funzionamento statico in ingresso; l’inclinazione della curva è data dalla corrente di base (
)
e dal valore di tensione applicata alla porta di ingresso. Questa prima rappresentazione rende
maggiormente l’idea di come, se non si superi la tensione di 0.7 Volt in ingresso non si abbiano
variazioni di corrente, inoltre determina i valori di una VBEQ e di una IBQ .
Nella seconda figura notiamo la transcaratteristica di uscita attraversata da una retta che come nella
prima figura attraversa il grafico. Questa ha un inclinazione dipendente dalla corrente di collettore
(
) e dal valore di tensione imposto sulla porta diuscita. Questo punto, noto come punto di
funzionamento statico in uscita, determina una VCEQ e una ICQ alla presenza di una certa IBQ
determinata nella prima caratteristica.
Funzionamento da interruttore
Un transistor BJT può essere utilizzato come interruttore comandato da una corrente spostando il
suo punto di funzionamento dalla zona di interdizione ( corrente IC ~ 0 ) a quella di saturazione
(corrente IC = ICMAX ) . Per spostare verso l’alto il punto di funzionamento statico Q nella
configurazione ad emettitore comune è necessario aumentare la corrente IB e quindi diminuire il
valore di RB ottenendo così un aumento di IC espresso dalla formula
. Ci si accorge di
trovarsi in saturazione quando un ulteriore aumento di IB non comporta l’aumento di IC , in tal caso
la massima corrente di collettore IC raggiunta viene chiamata ICMAX e la porta di uscita della nostra
configurazione può essere considerata come un cortocircuito. Analiticamente la ICMAX sarà data
dalla seguente formula:
Poiché in saturazione VCE= 0,2V.
Inoltre vale la seguente relazione:
In un circuito reale, a causa delle cadute di tensione interne al transistor (come quella tra il
collettore e l’emettitore denominata VceSAT ) e di tolleranze dei componenti, la saturazione potrebbe
discostarsi dal valore calcolato, perciò per essere sicuri che si verifichi la saturazione si può
attribuire al hFE ( ha il difetto di variare con a temperatura) il suo valore minimo che si trova nel
data sheet del transistor; scegliendo
. Per ottenere una saturazione sicura
considerando si aumenta la IB di un 20% .
Per ottenere l’interdizione del transistor normalmente si interviene sul generatore che polarizza la
giunzione B-E. quando la tensione di questo generatore è nulla oppure negativa (
)la
giunzione B-E risulta non polarizzata o polarizzata inversamente; per cui la corrente di base è nulla,
o trascurabile, e di conseguenza lo è anche la corrente di collettore.
In condizioni di saturazione la base contiene una grande quantità di portatori minoritari mentre in
interdizione ne contiene pochissimi. Pertanto quando VBB passa dal valore negativo a quello
positivo si ha una fase in cui i portatori provenienti dall’emettitore servono a riempire la base e
quindi la IC ha un valore trascurabile, successivamente la IC aumenta fino a raggiungere il suo valore
ICsat. I tempi che caratterizzano il passaggio dall’interdizione alla saturazione sono:
tempo di ritardo (delay-time) td - da quanto commuta VBB a quanto IC=10% di ICsat
tempo di salita(rise-time) tr – da quando IC=0.1ICsat a quando IC raggiunge il valore
IC=0,9ICsat
tempo totale di accensione(turn-on time) tON=td+tr
Nella commutazione inversa (VBB passa dal valore positivo a quello negativo)la base si svuota dei
portatori minoritari e poi la IC diminuisce fino al 10%di ICsat.. I tempi che caratterizzano il passaggio
dall’interdizione alla saturazione sono:
tempo di immagazzinamento (storage-tiame) ts – dalla commutazione di VBB a quando la
IC=0,9ICsat
tempo di caduta (fall-time) tf – impiegato dalla IC a scendere dal valore IC=0,9ICsat al valore
IC=0.1ICsat
tempo totale di spegnimento (turn-off time) tOFF= ts+tf
La VCE è limitata dalla necessità di impedire il breakdown che può essere causato da 2 diversi
fenomeni :
valanga: si verifica sulla giunzione polarizzata inversamente quando la tensione ai suoi capi
raggiunge un valore tale da generare un gran numero riportatori di carica e si innesca il
meccanismo a valanga (vedi dispense sui diodi)
punch-through: si verifica quando la zona di svuotamento della giunzione B-C si allarga
fino a toccare quella della giunzione B-E provocando un forte aumento della corrente di
collettore.
BJT per piccoli segnali
I BJT per piccoli segnali sono destinati a essere utilizzati nei circuiti in cui il livello dei segnali va
da decine di mV a poche decine di V. La correnti massima è generalmente inferiore a 100mA e solo
in pochissimi casi raggiunge i 200mA. I principali requisiti richiesti sono:
elevato guadagno di corrente: lo spessore della zona di base deve essere molto sottile, a
scapito della VCEmax.
elevata frequenza di taglio del guadagno di corrente: si può parlare di frequenza di taglio
poichè a cavallo delle due giunzioni si verificano effetti capacitivi
bassa figura di rumore
BJT di potenza
IBJT di potenza vengono realizzati in modo da poter sopportare correnti elevate (fino a qualche
decina di ampere) e tensioni elevate ( fino a qualche centinaio di volt). I principali requisiti richiesti
sono:
elevata potenza dissipabile: per poter consentire un’elevata potenza dissipabile i contenitori
sono più grandi rispetto a quelli per i BJT per piccoli segnali
bassa resistenza termica :viene ridotta mediante l’uso di un dissipatore
elevata tensione di breakdown: si realizza la base con drogaggio più elevato rispetto al
collettore
elevata corrente di collettore: le giunzione devono avere grande aria, anche se questo
comporta maggioro capacità di giunzione
elevato guadagno di corrente: spesso si ricorre a due BJT in connessione Darlington.
Fra i dati tecnici riveste particolare attenzione l’area di funzionamento sicuro (SOA, safe operating
area). La SOA è l’area delimitata da tre condizioni limite ICmax, VCEmax, Pdmax. Se ilpunto di
funzionamento è esterno a tale area ,il componente viene danneggiato a causa del superamento di
almeno una delle condizioni limite.
