Il transistor

1. Il transistor

2. il transistor è un dispositivo a semiconduttore che sfrutta le proprietà della giunzione p-n. • esistono molte diverse strutture che sono state elaborate per diverse applicazioni • può essere schematizzato come un regolatore o generatore di corrente o di tensione • può svolgere sia la funzione di switch (commutatore o interruttore) che quella di amplificatore • si possono individuare 2 grandi categorie di transistor in base al verso di scorrimento della corrente rispetto alla giunzione: • transistor bipolari a giunzione (BJT) – corrente perpendicolare alla giunzione • transistor ad effetto di campo (JFET o MOSFET) – corrente parallela alla giunzione

3. p p n collettore emettitore n n p base transistor BJT • un BJT è costituito da 3 strati di SC drogato. • si possono avere due diverse configurazioni: pnp oppure npn • generalmente si usa silicio • una piccola variazione della corrente (o della tensione) nella base comporta un rapido cambiamento nel resto dell’apparato  base è un elettrodo di controllo (switch)

4. transistor BJT = due giunzioni p-n che condividono uno strato di silicio intermedio drogato 2 condizioni per il corretto funzionamento del transistor: 1 – larghezza della base << lunghezza di diffusione ( ~ 1 mm) lunghezza di diffusione : distanza percorsa dai portatori di carica nei pressi della giunzione prima di ricombinarsi 2 – emettitore ha un drogaggio più intenso della base. il funzionamento del transistor è determinato dalla polarizzazione delle due giunzioni. In sostanza si possono individuare 4 diverse regioni di funzionamento del transistor. 1 – BE diretta - CB inversa  zona attiva 2 – BE inversa – CB inversa  zona interdizione 3 – BE diretta – CB diretta  zona saturazione 4 – BE inversa – CB diretta  zona attiva inversa

5. C C IC IB IC B B IB IE IE E E npn pnp • in un transistor pnp la corrente è dovuta (principalmente) a lacune emesse dall’emettitore e raccolte dal collettore. • Al contrario, in un transistor npn la corrente è dovuta agli elettroni. • In entrambi i casi il valore di questa corrente è controllato dal valore della corrente di base.

6. se polarizziamo direttamente (forward) la giunzione emettitore-base gli elettroni (le lacune) che sono portatori maggioritari, passano nella base dove diventano portatori minoritari. npn pnp • qui la polarizzazione inversa (reverse) della giunzione base-collettore trascina gli elettroni (le lacune) che sono minoritari, verso il collettore, dove sono nuovamente portatori maggioritari e rappresentano la componente prevalente della corrente di collettore. • a causa dello spessore sottile della base gli elettroni (le lacune) non si ricombinano con le lacune (gli elettroni) della base e raggiungono l’altra giunzione, cioè il collettore. A questo punto il campo elettrico dovuto alla polarizzazione inversa accelera gli elettroni (le lacune) nella regione di collettore. • questo significa che la corrente di collettore sarà poco diversa da quella di emettitore e si avrà IC – IE = IB • la corrente di base IB rimpiazza le lacune (gli elettroni) della base che si sono ricombinati con gli elettroni (le lacune) dall’emettitore e rappresenta un frazione piccola della corrente di emettitore. • quindi possiamo scrivere IE/IB = 1/(1-a) dove a è un numero quasi uguale a 1.

7. Possiamo descrivere il comportamento del transistor (consideriamo per esempio un npn) anche da un altro punto di vista • la corrente che attraversa la giunzione EB è costituita quasi esclusivamente da elettroni che dall’emettitore arrivano nella base. Le lacune che fanno il percorso inverso sono poche perché l’emettitore è molto più drogato della base. • gli elettroni nella base hanno una bassa probabilità di ricombinarsi con le lacune perché la loro lunghezza di diffusione è maggiore dello spessore della base. • se indichiamo con (1- a) la probabilità di cattura di un elettrone da parte di una lacuna nella base ( con a≈1)  un elettrone ha una probabilità a~1 di raggiungere la giunzione BC e di attraversarla, essendo un portatore minoritario. • quando un elettrone viene catturato da una lacuna della base, la batteria che alimenta la base provvede a rimpiazzare la carica libera perduta tramite la corrente di base. Poiché la ricombinazione ha una probabilità di (1- a), anche la corrente di base si potrà scrivere come IB~ (1- a) IE

8. la corrente tra collettore e base è proporzionale al numero di elettroni NON catturati dalle lacune nella base, quindi poiché la probabilità di sopravvivenza dell’elettrone è a, si avrà I’C~aIE • la corrente totale di collettore prevede anche un contributo dovuto ai portatori minoritari nel collettore. • questa è la corrente inversa del diodo base-collettore che, nella maggior parte dei casi, si può trascurare. • si può quindi scrivere: IC = I’C + Io = aIE +Io IE =IC+IB IC = I’C + Io = aIE +Io=aIC+aIB+Io  IC (1-a) = a IB +Io  IC = a / (1-a) IB + 1 / (1-a) Io ≈ b IB • ~ 50 – 250 è il guadagno di corrente ( a emettitore comune) a volte indicato come hFE

9. C IC B IB IE E npn circuito di polarizzazione in configurazione a emettitore comune giunzione BC polarizzata inversamente VC –VE > VB – VE VC > VB + VCE - + VBE - curve caratteristiche

10. ricapitolando quindi: 1 - nei circuiti analogici il BJT viene spesso usato come amplificatore nella configurazione a emettitore comune. 2 – nella regione attiva il BJT funziona come un generatore di corrente controllato in corrente. Dato che IC = aIE +Io≈ aIE = b IB possiamo controllare la corrente di collettore attraverso la corrente di ingresso di base. A sua volta questa è determinata dalla polarizzazione della giunzione BE. Il BJT in zona attiva è utilizzato come amplificatore nei circuiti analogici. 3 – Il transistor è interdetto quando entrambe le giunzioni sono polarizzate inversamente (>> VT). IE ed IC hanno valori dello stesso ordine di grandezza delle correnti di saturazione, mentre IB= 0. Equivale ad un interruttore aperto. 4 – zona di saturazione : non è più verificata la linearita tra IB e IC. In particolare IC << bIB. Entrambe le giunzioni sono direttamente polarizzate, VCE ha valori piuttosto bassi (~0.2 V). La IC in questa zona è dovuta alle cariche minoritarie tra base e collettore. Questa condizione è simile a quella di un interruttore chiuso. 5 – zona attiva inversa: è analoga alla zona attiva diretta, ma il guadagno è inferiore, quindi il BJT non viene usato come amplificatore e trova applicazione in alcuni circuiti digitali.

11. Il comportamento del BJT può essere riassunto nello studio delle curve caratteristiche. saturazione zona attiva interdizione

12. RC C VBE IC + + B VCE - VCC - + IB IE E - npn Le curve appena mostrate fanno riferimento ad un transistor nella configurazione ad emettitore comune. In questa configurazione si usa la corrente di base come variabile di controllo. Quindi la corrente di ingresso IB e la tensione di uscita VCE son variabili indipendenti, mentre la tensione di ingressoVBE e la corrente di uscita IC sono quelle dipendenti. hFE ≡ IC/IB ≈ bF F = forward, E = emettitore comune non è strettamente costante a causa della variazione della larghezza efficace della base in seguito alla variazione della polarizzazione della giunzione BC (effetto Early). Questo spiega perché le caratteristiche di uscita non siano perfettamente orizzontali.

13. caratteristiche di ingresso mettono in relazione IB e VBE per diversi valori di VCE. Sono sostanzialmente curve di polarizzazione diretta di un diodo.