Transistor a giunzione bipolare

1. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Inventato nel 1948-49, con ruoli diversi, da Bardeen, Brittain, Shockley. Valse loro nel 1956 il premio Nobel Lo scopo è di usare un piccolo ingresso per controllare una grande uscita Transistor a giunzione bipolare • Controllo il flusso alzando o abbassando un bozzo sul fondo (BJT) • Inserisco un rubinetto che regola il flusso (FET)

2. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Transistor bipolare: descrizione concettuale Essenzialmente consiste in un doppio diodo n+pn (o viceversa) La regione ad alto drogaggio (n+) è chiamato emettitore, la regionep base e la regione n collettore Nde>>Nab assicura che un piccolo cambiamento della corrente di base provoca un grande aumento della corrente di collettore

3. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Transistor bipolare: descrizione concettuale C'è poca ricombinazione Fattore B≤1 EBJ la giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente mentre la BCJ la giunzione base collettore è polarizzata inversamente Il BJT è detto essere polarizzato in modo diretto attivo. Quando gli elettroni sono iniettati dall'emettitore la gran parte di essi attraversa la base senza problema. A causa del forte campo base -collettore gli elettroni sono spinti via e formano la corrente di collettore (I=ev=emF) Inoltre la superficie della BCJ è molto più grande della EBJ

4. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Transistor bipolare: descrizione concettuale Se il diodo è n+-p, la corrente di polarizzazione diretta è fatta essenzialmente dall'iniezione di elettroni nella zona pQuesta corrente diretta può essere alterata da una piccola variazione del potenziale di polarizzazione diretta Fattore di trasporto di base Portatori minoritari sulla giunzione pn Rapporto di trasferimento di corrente Efficienza di emettitore

5. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Transistor bipolare: circuito tipico in polarizzazione diretta attiva Un piccolo cambiamento nella corrente di base causa un grande cambiamento nella corrente di collettore. L'amplificazione è data dal rapporto tra corrente di base e quella di collettore. La corrente di base è costituita da corrente di buche iniettata nell'emettitore IEp e dalla corrente di buche che ricombinano nella zona della base (1-B)IEn. Si è assunto che la giunzione pn base-collettore è fortemente polarizzata inversamente e quindi non dà corrente (di buche). La corrente di base che stiamo prendendo in considerazione è quella che entra (esce) dalla base (non quella che scorre nella base). Fattore di amplificazione di corrente Base-Collettore

6. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Polarizzazione del BJT I diversi modi di operazione, singolarmente o più di uno insieme, vengono sfruttati nel funzionamento di diversi dispositivi Dispositivi a microonde Applicazioni di accensione- spegnimento Per tutto questo è importante capire le correnti bipolari che si generano

7. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Flussi di corrente Esaminiamo le varie correnti alla luce della teoria sulle giunzioni pn viste precedentemente. (Modo Attivo diretto) Wb = Wbn (dimensione dello strato neutro) Polarizzato diretto Vij = Vi -Vj > 0 Polarizzato inverso Le regioni di emettitore e collettore sono > Lp → andamento exp La regione di base < Ln→ andamento quasi lineare (su entrambe le giunzioni) Disp 4.17

8. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Flussi di corrente Wbn≈ Lb

9. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Flussi di corrente Approx al primo ordine non triviale Trascurando la corrente del diodo in polarizzazione inversa Base-Collettore

10. Relazioni corrente-voltaggio Guadagno di corrente in base comune (diretto attivo) Pol Dirette per npn 10 LM Fisica A.A.2013/14 LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

11. Effetto Early o modulazione dell’ampiezza di base In un transistor ideale in configurazione di emettitore comune ci si aspetta che ad una data corrente di base ICsia indipendente daVECper VEC>0. Sarebbe così se potessimo assumere che l’ampiezza della base neutra (W) è constante. Ma poiché l’ampiezza della regione di carica spaziale che si estende nella regione della base varia con la tensione base-collettore, l’ampiezza di base è funzione della tensione base-collettore. La corrente di collectore dipende da VEC. All’aumentare della tensione inversa base-collettore,l’ampiezza di base si ridurrà. Ciò causa un aumento del gradiente di concentratione dei portatori minoritari e quindi un aumento della corrente di diffusione. L’amplificazione b aumenta ma questo non è auspicabile per il dispositivo. 11 LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

12. Avalanche breakdown La tensione base-collettore che il transistor può sostenere è limitata da fenomeni di rottura a valanga. Limite alla potenza che può essere ottenuta dal transistor. La rottura dovuta a ionizzazione di impatto si rispecchia nelle caratteristiche I-V. In configurazione di base-comune la rottura avviene a ben definite condizioni (tensione VCB limite) In configurazione emettitore-comune la rottura avviene a tensioni che sono modulate dal valore del parametro di ingresso. 12 LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

13. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Configurazioni operative del BJT Profilo delle bande e distribuzione dei portatori di minoranza per operazioni in saturazione, attiva diretta e cut-off In saturazione sia EBJ che CBJ sono polarizzate dirette e una grande densità di portatori di minoranza sono iniettati nella regione della base (importante per lo switching) In modo di cut-off sia EBJ che CBJ sono polarizzate inverse e non c'è densità di portatori di minoranza nella regione della base In modo di diretto attivo EBJ è polarizzata diretta e CBJ è polarizzata inversa. E' usato per amplificazione IC >> IB

14. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Parametri di funzionamento statici I transistor bipolari possono essere polarizzati in tre diverse configurazioni ognuna con i suoi vantaggi. Nella configurazione di base comune il modo di cut-off avviene quando la corrente di emettitore è nulla. Per correnti IE non nulle il BCJ deve essere polarizzato diretto VBC<0 (~0,7V) per bilanciare le correnti iniettate dall'emettitore. Nel modo di emettitore comune si ha cut-off per correnti di base quasi nulle. Il EBJ non è più polarizzata diretta. La regione di saturazione occorre quando VCE = VBE ed entrambe le giunzioni sono polarizzate direttamente. In amplificazione di piccoli segnali il dispositivo opera in modo attivo con alta corrente o guadagno di potenza. In modo interruttore il dispositivo passa da cut-off (non conduttore) a saturazione (conduttore)

15. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Parametri del BJT Modo attivo diretto eVBE >> kBT eVCB>> kBT Wb<<Lb Come scegliamo i parametri costruttivi del BJT Efficienza di iniezione di emettitore ~Wbn/Lb Per disegnare un BJT con ge prossimo a 1 dobbiamo scegliere Wbn<<Le e peo <<nbo (Wbn non può essere troppo piccola perché sorgerebbero altri problemi accessori)

16. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Parametri del BJT Come scegliamo i parametri costruttivi del BJT Fattore di trasporto di base B ( Bassa ricombinazione) Come scegliamo i parametri costruttivi del BJT Efficienza di collettore gc E' il rapporto tra la corrente che raggiunge il collettore alla corrente base-collettore. Essendo la giunzione base-collettore fortemente polarizzata inversa tutta la corrente che giunge sulla giunzione è risucchiata nel collettore gc~1 Come scegliamo i parametri costruttivi del BJT Guadagno di corrente a≤1 non può esserci un vero e proprio guadagno in senso stretto

17. Risposta a segnali AC Piccolo segnale  l’ampiezza del segnale in frequenza (AC) è molto minore del segnale in continua (DC) La curva di carico ha pendenza –RL-1 e intercetta VCC gEB= IB/VBE conduttanza di ingresso Guadagno di corrente Base-Collettore gm=bgEBtransconduttanza Ad alta frequenza occorre considerare i contributi capacitivi CEBe CCB capacità di svuotamento; Cd capacità di diffusione gECconduttanza di modulazione di ampiezza di base (piccola conduttanza  grande resistenza) 17 LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

18. Risposta a segnali AC gm e gEC dipendono da b (e quindi da a). Il guadagno è costante solo a bassa frequenza fb=fa(1-a0) cut-off Frequenza di cut-off di base (/emettitore) comunefa (/fb ) frequenza per cui a(/b) si riduce a del Max Frequenza a cui |b|=1 18 LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

19. Tempo di risposta La frequenza è legata al tempo di risposta del dispositivo ovvero al tempo necessario per un portatore di transitare dall’emettitore al collettore. Questo include diversi contributi: tE ritardo dell’emettitore, tB tempo di transito della base, tC tempo di transito del collettore. Il più importante è il tempo di transito della base tB La distanza che percorrono i portatori minoritari nella base in un intervallo di tempo è dx = v(x) dt, dove v(x) è la velocità effettiva dei portatori minoritari nella base. Transistor per alte frequenze sono disegnati con uno spessore ridotto della base. Poiché la costante di diffusione elettronica è circa 3 volte superiore di quella delle buche, n-p-n sono preferiti. Un altro modo per ridurre il tempo di transito è di usare una base con drogaggio graduale (maggiore in prossimità dell’emettitore e minore verso il collettore) Il campo indotto aiuta il moto dei portatori riducendo il tempo di transito. 19 LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

20. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Analisi dell’andamento di carica Modo diretto attivo • Comportamento del dispositivo in termini di cariche nelle diverse regioni e costanti di tempo legate al flusso di carica. Per la base ci sono due contributi alla corrente uno diffusivo ed uno di accumulazione di carica Carica iniettata nella base (Area del triangolo dei portatori minoritari iniettata) Tempo di transito diretto verso il collettore Inoltre c’è una carica di giunzione che dipende dalla tensione di polarizzazione della giunzione

21. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Analisi dell’andamento di carica Modo inverso attivo • Comportamento del dispositivo in termini di cariche nelle diverse regioni e costanti di tempo legate al flusso di carica. Tempo di transito inverso verso l’emettitore Modo in saturazione Combinazione dei due modi attivi. La capacità di giunzione è trascurabile perché la tensione di giunzione non cambia molto una volta raggiunta la condizione di saturazione

22. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Transistor bipolare come inverter Base della tecnologia digitale: circuiti logici La risposta non è istantanea Accensione: Da regione di cut-off a regione attiva td=t1-t0 EBJ e BCJ polarizzate inverse → regione attiva EBJ diretta. Carica della regione di Base Da regione attiva a saturazione tf=t2-t1 Raggiunge la saturazione Spegnimento: Da regione di saturazione a instaurarsi di regione attiva ts=t4-t3 Si neutralizza la saturazione Regione attiva inversa a cut-off tr=t5-t4 Raggiunge la regione di cut-off

23. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Transistor bipolare come inverter Da cut-off a regione attiva td=t1-t0 t=t0VBE=0 VBC= - VCC =-5 V t=t1 VBE=0,7V VBC=VBE - VCC =-4,3V <iB>=0,93 mA td=0,57 ns DQ=0,527 pC Da regione attiva a inizio saturazione tf=t2-t1 t=t2VBE=0,8 VBC=0,8 – 0,1=0,7 V tf=1,97 ns t(ON)=2,54 ns

24. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Transistor bipolare come inverter Da saturazione a regione attiva ts=t4-t3saturazione di carica sulla base da estrarre BCJ polarizzata inversa ts=14,16 ns Da regione attiva a cut-off tr=t5-t4 tr=15,6 ns t6-t5=7,5 ns C'è ancora carica di svuotamento che va recuperata (tD) t(OFF)=37,26 ns <iB>=0,07 mA

25. Transistor bipolare come inverter Base della tecnologia digitale: circuiti logici La risposta non è istantanea t4 Accensione: Da regione di cut-off a regione attiva td=t1-t0 EBJ e BCJ polarizzate inverse → regione attiva EBJ diretta. Carica della regione di Base Da regione attiva a saturazione tf=t2-t1 Raggiunge la saturazione Spegnimento: Da regione di saturazione a instaurarsi di regione attiva ts=t4-t3 Si neutralizza la saturazione Regione attiva inversa a cut-off tr=t5-t4 Raggiunge la regione di cut-off t4 25 LM Fisica A.A.2013/14 LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

26. Transistor bipolare come inverter Da cut-off a regione attiva td=t1-t0 t=t0VBE=0 VBC= - VCC =-5 V t4 t=t1 VBE=0,7V VBC=VBE - VCC =-4,3V t4 <iB>=0,93 mA td=0,57 ns DQ=0,527 pC Da regione attiva a inizio saturazione tf=t2-t1 t=t2VBE=0,8 VBC=0,8 – 0,1=0,7 V tf=1,97 ns t(ON)=2,54 ns 15 26 LM Fisica A.A.2013/14 LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

27. Transistor bipolare come inverter Da saturazione a regione attiva ts=t4-t3saturazione di carica sulla base da estrarre BCJ polarizzata inversa ts=14,16 ns t4 t4 Da regione attiva a cut-off tr=t5-t4 tr=15,6 ns t6-t5=15 ns C'è ancora carica di svuotamento che va recuperata (tD) t(OFF)=44,76 ns <iB>=0,07 mA 16 27 LM Fisica A.A.2013/14 LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

28. Transistor bipolare come inverter Base della tecnologia digitale: circuiti logici La risposta non è istantanea t4 Accensione: Da regione di cut-off a regione attiva td=t1-t0 EBJ e BCJ polarizzate inverse → regione attiva EBJ diretta. Carica della regione di Base Da regione attiva a saturazione tf=t2-t1 Raggiunge la saturazione Spegnimento: Da regione di saturazione a instaurarsi di regione attiva ts=t4-t3 Si neutralizza la saturazione Regione attiva inversa a cut-off tr=t5-t4 Raggiunge la regione di cut-off t4 28 LM Fisica A.A.2013/14 LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

29. Transistor bipolare come inverter Da cut-off a regione attiva td=t1-t0 t=t0VBE=0 VBC= - VCC =-5 V t4 t=t1 VBE=0,7V VBC=VBE - VCC =-4,3V t4 <iB>=0,93 mA td=0,57 ns DQ=0,527 pC Da regione attiva a inizio saturazione tf=t2-t1 t=t2VBE=0,8 VBC=0,8 – 0,1=0,7 V tf=1,97 ns t(ON)=2,54 ns 15 29 LM Fisica A.A.2013/14 LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

30. Transistor bipolare come inverter Da saturazione a regione attiva ts=t4-t3saturazione di carica sulla base da estrarre BCJ polarizzata inversa ts=14,16 ns t4 t4 Da regione attiva a cut-off tr=t5-t4 tr=15,6 ns t6-t5=15 ns C'è ancora carica di svuotamento che va recuperata (tD) t(OFF)=44,76 ns <iB>=0,07 mA 16 30 LM Fisica A.A.2013/14 LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis