V - Gino Giusi
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Contenuti del corso Parte I: Introduzione e concetti fondamentali richiami di teoria dei circuiti la simulazione circuitale con SPICE elementi di Elettronica dello stato solido Parte II: Dispositivi Elettronici il diodo a giunzione transistori ad effetto di campo (FETs) il transistore bipolare (BJT) Parte III: Circuiti amplificatori a transistori discreti amplificatori a BJT e FETs Il transistore bipolare (BJT) Il BJT (Bipolar Junction Transistor) è un dispositivo a tre terminali costituito dall’adiacenza di due giunzioni pn. Sono quindi possibili due configurazioni: transistore PNP E transistore NPN C p emettitore C n collettore JBE: giunzione base-emettitore E p n base JBC: giunzione base-collettore B p emettitore collettore JBE: giunzione base-emettitore C base n p E B C p B n n B p n E JBC: giunzione base-collettore Il transistore bipolare (BJT) Primo dispositivo a stato solido di ampio successo commerciale a causa del processo di fabbricazione più semplice e affidabile rispetto a quello dei MOSFETs. • inventato alla fine dei ‘40 da Bardeen, Brattain e Shockley (Nobel nel ‘56) ai Bell Labs. • reso disponibile nel ’52 dietro una licenza di 25000$ • il primo BJT al silicio fu sviluppato presso la Texas da Gordon Teal • la Tokyo Tsushin Kogyo compra la licenza del transistor e nel ‘55 diventa la SONY. • alla fine dei ‘50 inizia la produzione di massa di radio a BJT • all’inizio dei ‘60 vengono realizzati i primi IC basati su BJTs Anche se il MOSFET rappresenta oggi la tecnologia dominante degli IC, il BJT è largamente utilizzato in applicazioni ad alte frequenze e ad alte correnti. Il transistore bipolare (BJT) • il BJT sembra costituito semplicemente da due giunzioni pn. • se la larghezza della regione di base è sufficientemente piccola (tipicamente 0.1 µm-100µm), le due giunzioni interagiscono. •4 regioni di funzionamento in funzione delle 4 possibili combinazioni sullo stato delle 2 giunzioni. Il transistore bipolare (BJT) • nella principale regione di funzionamento, detta regione attiva (JBE-ON, JCB-OFF), l’E inietta elettroni nella regione di B. La maggior parte vengono raccolti dal C, mentre una minoranza (se la base è stretta) si ricombinano in base e generano la IB. • il rapporto IC/IB è molto alto se la base è stretta e il BJT può essere usato come amplificatore. • la base agisce come terminale di controllo, modulando la frazione di elettroni raccolti dal collettore. Il BJT è un dispositivo controllato in corrente (di base), a differenza dei FETs che sono controllati in tensione (gate-source). Mentre iG = 0, iB è significativa. Il transistore bipolare (BJT) • a differenza dei FETs in cui la conduzione è unipolare, ovvero dovuta principalmente ad un solo tipo di portatore (elettroni negli nFETs, lacune nei pFETs), nei BJT la conduzione avviene in modo bipolare. • il funzionamento è basato sul trasporto dei minoritati nella base e quindi i BJT npn sono preferiti ai pnp a causa della maggiore mobilità degli elettroni rispetto alle lacune. • struttura non simmetrica: per massimizzare il numero di portatori raccolti dal collettore l’emettitore è più drogato del collettore Il modello di Ebers-Moll (npn) •αF,αR <1: modellizzano l’effetto reciproco delle giunzioni I •il BJT non è simmetrico: emettitore più drogato del collettore αR<αF I F = 0.95<αF<1 0<αR<0.95 •IS : corrente di saturazione I R = IS α F IS α R e − 1 VVBC e T − 1 V BE VT S α R I S α F 10-18A≤ IS≤10-9 A • il modello DC è definito completamente da 3 parametri (IS, αF, αR) Il modello di Ebers-Moll (pnp) I I I F R V EB I S V T = e − 1 α F = I α S R VVCB e T − 1 S α R I S α F Il modello di Gummel-Poon (npn) iBC i BE V BE I S V T = e − 1 β F i BC V BC I S V T = − 1 e β R iT= FiBE- RiBC iBE • i modelli di Ebers-Moll e Gummel-Poon sono αR equivalenti una volta che β F = α F βR = 1−αF • αF ≈ 1 1−αR βF >> 1 • αF> αR βF > βR • 3 parametri per descrivere completamente il modello in DC (IS, βF, βR) Il modello di Gummel-Poon (pnp) i EB V EB I S V T = e − 1 β F i CB V CB I S V T = e − 1 β R Esempio 1 Problema: Con riferimento al circuito in figura determinare il punto di lavoro del bjt caratterizzato dai parametri IS = 10-16 A, βF = 50, βR = 1. Soluzione: VBE =VBB= 0.75 V VBC = VBB - VCC = 0.75 V-5V = -4.25 V Utilizzando la rappresentazione di Gummel-Poon I BE V BE 10 − 16 A I S V T = − 1 = e 50 βF . 75 0 .00259 e = 7 . 53 µA − 1 V BC 10 − 16 A − 4 . 25 I S V T e 0 .0259 − 1 = − 10 −16 A I BC = e − 1 = β R 1 I C = β F I BE − β R I BC − I BC = 376 µA I B = I BE + I BC = 7 . 53 µA I E = I B + I C = 384 µA Esempio 2 Problema: Con riferimento al circuito in figura determinare il punto di lavoro del bjt caratterizzato dai parametri IS = 10-16 A, αF = 0.95, αR = 0.5. Soluzione: IE = 100 µA VBC = 0-5V = -5 V Utilizzando la rappresentazione di Ebers-Moll C IR IF IF IC V BC 10 −16 A − 5 I S V T e 0 .0259 − 1 = − 5 ⋅ 10 − 17 A = − 1 = e 0.5 α R = I E + α R I R ≈ I E = 10 − 4 A V BE I S V T α I = e − 1 → V BE = V T ln 1 + F F IS α F = − I R + α F I F ≈ α F I F = 95 µA I B = I E − I C = 5 µA = 0 . 71 V iC iR FiF B iB iF RiR iE E Regioni di funzionamento Regione attiva diretta (JBE ON, JBC OFF) modello di EbersEbers-Moll modello equivalente a base comune IC C E IE B VCB IC ≈ α F I F ≈ α F I E α F ≅< 1 → I C ≅< I E αF : guadagno di corrente diretto a base comune Regione attiva diretta (JBE ON, JBC OFF) modello di GummelGummel-Poon modello equivalente a emettitore comune VBE ,ON IC = β F I B β F >> 1 → I C >> I B βF : guadagno di corrente diretto ad emettitore comune il BJT può essere usato come amplificatore di segnale (corrente) Regione attiva inversa (JBE OFF, JBC ON) modello di EbersEbers-Moll modello equivalente a base comune I E ≈ −α R I R ≈ α R I C α R < 1 → I E < IC αR : guadagno di corrente inverso a base comune Regione attiva inversa (JBE OFF, JBC ON) modello di GummelGummel-Poon modello equivalente a collettore comune VBC ,ON − IE = βRIB βR > 1 → IE > IB βR : guadagno di corrente inverso a collettore comune • il BJT potrebbe essere usato come amplificatore • si preferisce la zona attiva diretta (β βF>>β βR) • VBC, ON < VBE,ON (E più drogato di C) Regione di interdizione (JBE OFF, JBC OFF) modello di EbersEbers-Moll IB ≅ 0 IC ≅ 0 IE ≅ 0 poiché tutte le correnti sono nulle il BJT si comporta da circuito aperto tra C ed E Regione di saturazione (JBE ON, JBC ON) modello di Gummel Gummel--Poon • poiché le due giunzioni sono polarizzate in diretta, esse possono essere modellizzate con una caduta costante(VBE,SAT>VBE,ON,VBC,SAT>VBC,ON) • a causa del diverso drogaggio di E e C le VON sono leggermente diverse (VBE,SAT>VBC,SAT) iC = β F iBE − (β R + 1)iBC β F iB = β F iBE + β F iBC in sat. iBE ,iBC > 0 → β F iB > iC •VCE,SAT=VBE,SAT - VBC,SAT >≈ 0 quindi il BJT è approssimabile ad un cortocircuito tra C ed E •le correnti ai terminali sono determinate dal circuito esterno: aumenti di IB non risultano in aumenti di IC. Riferimenti di corrente a BJT VCC rete di polarizzazione RL RB VBB RE VEE • in zona attiva la corrente sul carico RL è costante • se VBB>0, VEE≥0 VCC > 0 (cond. necessaria) • se RL ha bisogno del riferimento a massa (VCC=0) VBB<0, VEE<0 (cond. necessaria) • per evitare tensioni negative è possibile usare riferimenti con PNP il BJT come driver di corrente •la max corrente erogabile dalla sorgente è VS/RS •la corrente ILED è limitata da RS • IB<<IC=ILED I LED VS − VLED = RS VS deve erogare poca corrente • la corrente ILED è fornita da VCC e non da VS I LED = VCC − VLED − VCE RC • Q1 tipicamente si polarizza in saturazione: la più bassa VCE consente di avere una più bassa VCC (minore potenza dissipata) la VCE non dipende da βF il BJT come driver di corrente Problema: dimensionare RB e RC in modo che ILED=20mA, IS,max=0.5mA DATI: VS=5V, RS=5kΩ, VCC=10V, VLED,ON=1.1V Q1: (βF=100,VBE,SAT=0.8V, VCE,SAT=50mV) Hp Q1: SAT, D ON I LED βF < IB = VS − VBE , SAT I S ,max VS − VBE , SAT RB + RS − RS ≤ RB < ≤ I S ,max β F (VS − VBE , SAT ) 3.4kΩ ≤ RB < 16.25kΩ RC = VCC − VLED ,ON − VCE , SAT I LED I LED − RS Es: RB=4.7 kΩ = 442.5Ω Hp OK Il BJT come interruttore • in interdizione il bjt si comporta come un interruttore aperto tra C ed E • in saturazione il bjt si comporta come un interruttore chiuso tra C ed E C C B B E E • il bjt si comporta come un interruttore controllato dalla corrente di la quale agisce come terminale di controllo base, • a differenza dei FETs dove IG=0, nel caso del BJT è necessario spendere potenza (IB≠0) per il controllo (maggiore potenza dissipata in applicazioni digitali). Regioni di funzionamento Caratteristiche IV del BJT caratteristica di uscita ad emettitore comune I C = f (V CE , I B ) IC caratteristica di uscita a base comune I C = f (V CB , I E ) caratteristica di trasferimento I C = f (V BE , V BC C E ) IE B VCB Caratteristiche IV di uscita a emettitore comune I C = f (V CE , I B ) •iB = 0: BJT OFF •vCE > vBE (vBC<0), iB >0 : regione attiva diretta, iC = βF iB (indipendente da vCE) •vCE < vBE (vBC>0), iB >0 : saturazione (il valore limite vBE tra saturazione e regione attiva aumenta leggermente all’aumentare di iB ) •vCE < 0 : i ruoli di collettore e emettitore si invertono Caratteristiche IV di uscita a base comune I C = f (V CB , I E ) • vCB > 0, iE >0: regione attiva diretta, iC ≈ iE è indipendente dalla tensione • vCB < 0, iE >0: il diodo base collettore viene polarizzato direttamente e iC cresce esponenzialmente (in direzione negativa) non appena il diodo basecollettore entra in conduzione (saturazione) Caratteristica di trasferimento a emettitore comune I C = f (V BE , V BC ) Es: I C (V BC VVBE T = 0) = I − 1 e S stessa forma dell’equazione di un diodo. transconduttanza dI g m = C I = C V dV BE Q T BJT reali : resistenze serie Problema: Con riferimento al circuito in figura determinare il punto di lavoro del bjt caratterizzato dai parametri IS = 10-16 A, βF = 50, βR = 1. Soluzione: VBE =VBB= 10 V VBC = VBB - VCC = 0.75 V-5.00V = -4.25 V Utilizzando la rappresentazione di Gummel-Poon I BE V 10 −16 A I S VBET = e − 1 = β F 50 10 0 .0259 e = 10 150 A! !!! − 1 10V BJT reali : resistenze serie C • come nel diodo, è necessario tenere in considerazione la resistenza delle regioni neutre • le correnti ai terminali devono attraversare regioni di lunghezza non trascurabile per arrivare nelle zone attive del dispositivo RC iC iBC B RBB’ FiBE- RiBC iB iBE RE iE E BJT reali : effetto Early In zona attiva al crescere di VCE lo spessore della SCR di JBC aumenta e lo spessore della base diminuisce (modulazione dello spessiore di base) Le IV di uscita hanno una pendenza positiva nella regione attiva diretta la IC (βF) non è indipendente da VCE V CE 1 + β ≈β F FO V A Tensione di Early (VA=10÷150V): le IV di uscita sono estrapolate fino al punto in cui IC è uguale a zero. Modello SPICE per il BJT Sintassi: Q<name> < collector node> <base node> <emitter node> + [substrate node] <model name> [area value] .MODEL <model name> NPN [model parameters] .MODEL <model name> PNP [model parameters] Esempio: Q1 1 2 3 BC107 10 .MODEL BC107 NPN BF=30 BJT: modello in continua (Gummel-Poon) I BE = I BC I CC βF VBE IS NF⋅VT e = − 1 BF I CT = (I CC − I EC ) / Kqb VBC I EC IS NR ⋅VT = = e − 1 β R BR I GRE VBE NE ⋅VT = ISE e − 1 VBC NC ⋅ V I GRC = ISC e T − 1 NK Kqb = Kq1 1 + (1 + 4 Kq 2 ) / 2 Kq1 = 1 / (1 − VBC / VAF - VBE / VAR ) [ ] Kq 2 = β F I BE / IKF + β RI BC / IKR •RBB’, RC, RE: resistenze di accesso • IGRE, IGRC : correnti dovute a fenomeni di G-R nelle regioni svuotate • Kqb: parametro che tiene conto di effetti reali tra cui l’effetto Early BJT: modello in continua BJT: modello per ampi segnali I CT = (I CC − I EC ) / Kqb Esempio Problema: simulare le caratteristiche di uscita di un BJT npn (parametri IS = 10-16 A, βF = 50, βR = 1) nell’intervallo 0≤VCE≤15V, per 0 ≤ IB≤ 10µA. caratteristiche di uscita bjt npn 1 IB 2 0 DC 0 VCE 1 0 DC 0 Q1 1 2 0 bjtmodel .MODEL bjtmodel NPN BF=50 BR=1 +IS=1e-16 .DC VCE 0 15 0.1 IB 0 1e-5 1e-6 .PROBE IC(Q1) .END 2 Q1 IB 0 VCE Analisi in DC di circuiti con BJT RC risoluzione analitica IC VCC RB VBB IB V BB = R B I B + V BE V = R I + V CC C C CE I C = f (V BE , V CE ) I B = g (V BE , V CE ) risoluzione grafica (nota IB) risoluzione analitica V CC = R C I C + V CE I C = f (V BE , V CE ) Analisi in DC di circuiti con BJT RC risoluzione analitica IC VCC RB VBB IB V BB = R B I B + V BE V = R I + V CC C C CE I C = f (V BE , V CE ) I B = g (V BE , V CE ) risoluzione approssimata risoluzione analitica V CC = R C I C + V CE I C = f (V BE , V CE ) 1. ipotesi su f, g (OFF, attiva diretta, attiva inversa o saturazione) 2. si risolve il circuito e si determina Q 3. si verifica l’ipotesi 1 Analisi in DC di circuiti con BJT: Esempio Problema: Calcolare il punto di lavoro di Q. Dati noti: VBB= 3V, VCC=5V, RB=1MΩ, RC=1kΩ, Q: (βF = 100, βR = 1, VBE,ON=0.7, VBC,ON=0.5, VCE,SAT=0.2V) Soluzione: VCC e VBB tendono a pol. dir. JBE VBB tende a pol. dir. JBC, VCC tende a pol. inv. JBC Hp ZONA ATTIVA (VBE=VBE,ON=0.7V, IC=βFIB) IB = 3 − 0 .7 V BB − V BE = 2 . 3 µA = 10 3 RB I C = β F I B = 230 µA V BC = V BE − V CC + R C I C = − 4 . 53 V I E = I B + I C = 232 . 3 µA I B = 2 . 3 µA ≥ 0 Hp OK V BC = − 4 . 53 V ≤ V BC ,ON = 0 . 5 V RC IC VCC RB VBB IB
