transistor

Il transistor bipolare a giunzione, noto anche con l'acronimo BJT (Bipolar Junction Transistor), è un dispositivo elettronico a semiconduttore a tre terminali il cui nome evidenzia le caratteristiche fondamentali di quest'elemento: il termine Bipolar indica che la conduzione è dovuta al contributo dei due portatori di carica elettrica (elettroni e lacune), Junction che è realizzato attraverso la connessione in serie di due giunzioni di tipo p-n. All'inizio questi dispositivi erano utilizzati come convertitori d'impedenza da cui il nome transistor (= transfer resister), oggi invece nascono come amplificatori di corrente ma sono più spesso usati, come negli amplificatori operazionali, con la funzione di amplificatori di tensione. I BJT trovano inoltre applicazione nei circuiti sia discreti che integrati, sia analogici che digitali. In quest'ultimo caso essi sono utilizzati come interruttori (switch) impiegati nei modi di funzionamento di saturazione ed interdizione. I BJT possono essere di due tipi:

· npn, in cui la conduzione è dovuta soprattutto ad elettroni
· pnp, in cui la conduzione è dovuta soprattutto ad elettroni in banda di valenza cioè lacune.

REALIZZAZIONE FISICA E ANALISI DEL TRANSITOR NPN

Polarizziamo direttamente una giunzione pn in cui la regione negativa è fortemente drogata ed ha dimensioni maggiori rispetto alla zona positiva in modo tale che il flusso di elettroni dalla zona drogata di tipo N a quella di tipo P sarà nettamente prevalente rispetto al flusso di lacune che arriva in senso opposto (fig. 1).

Fig.1 - Polarizzazione diretta di una giunzione pn

La polarizzazione diretta BE (VBE>0) genera un flusso di elettroni diretto dalla regione N⁺ alla regione P e le zone di svuotamento assumono dimensioni diverse a causa della differente concentrazione di cariche. Aggiungiamo ora una regione N e polarizziamo inversamente il nuovo diodo, come in fig. 2.

Fig.2 - Polarizzazione di una doppia giunzione del tipo npn

La funzione della polarizzazione inversa BC (VBC<0) è quella di 'risucchiare' gli elettroni provenienti dalla regione P e di inviarli, attraverso la regione N, in direzione del Collettore (dall'inglese collection= raccolta (di elettroni)); la fase di 'risucchio' è tanto più rapida quanto più è stretta la regione P, o regione di Base, per cui tale regione è progettata di dimensioni inferiori al micron. Se così non fosse si verificherebbe una ricombinazione di elettroni e lacune in base con conseguente impedimento della conduzione. La scelta opportuna delle dimensioni della regione di Base non può comunque evitare che una ridotta frazione del flusso di elettroni (circa l'1%) si ricombini nella regione di Base anziché dirigersi verso il Collettore (fig. 3).

Fig.3 - Flusso di elettroni attraverso la doppia giunzione

Ora che abbiamo introdotto la struttura dell'npn, possiamo caratterizzarlo analiticamente dando le seguenti definizioni:

IB = corrente d'ingresso
IC = corrente di uscita

ed introducendo due parametri caratteristici del transistor:

b = IC/IB (guadagno di corrente)

(4.1)

a = IC/IE (rendimento di corrente)

(4.2)

Si ha:

IC @ a*IE

(4.3)

dove a = 0.98 ¸ 0.99

La (4.3) esprime il concetto che una frazione di IE non raggiunge il collettore ma si ricombina in base. Questa equazione però è incompleta in quanto non tiene conto del contributo dato alla conduzione dalle lacune; l'equazione corretta è la seguente:

IC = a*IE + ICBo

(4.4)

dove ICBo è la corrente dovuta alle lacune e che fluisce dal collettore C verso la base B;

con IC >> ICBo

(4.5)

Dalla (4.4), considerando la (4.5), otteniamo l'espressione di a già vista nella (4.2); per le considerazioni svolte possiamo schematizzare quindi il transistor come un nodo di Kirchoff (per le correnti continue).

Fig. 4 (a) Simbolo del transistor - Fig. 4 (b) Il transistor come nodo di Kirchoff

Dalla fig.4 (b), si ha: IE = IC +IB

(4.6)

IC @ a*IE = a*( IC + IB )

(4.7)

IC*( 1-a ) = a*IB

(4.8)

Dall'ultima equazione, ricordando la (4.1), otteniamo le espressioni che legano a e btra di loro:
b= a/(1-a)

(4.9)

a= b/(1+b)

(4.10)

CARATTERISTICHE DEI TRANSISTOR BIPOLARI

-Caratteristica d'ingresso

La caratteristica di ingresso di un transistor npn è la stessa di un diodo polarizzato direttamente in cui sugli assi troviamo in ascissa la tensione VBE e in ordinata la corrente di ingresso Ib.

Fig. 5 - Caratteristica di ingresso del transistor (simulazione PSPICE)

IB = IcBo*[exp(VBE/VT) - 1]

(4.11)

dove VT = kT/q è la tensione termica. Di conseguenza:

IC = b*IB = b*IcBo [exp(VBE/VT) - 1]

(4.12)

Definendo

bIcBo=IS (corrente di saturazione inversa)

(4.13)

e approssimando la (4.12), si ottiene un'espressione simile a quella vista per i diodi, cioè:

IC @ IS exp(VBE/VT)

(4.14)

da cui si ricava: VBE = VT*ln (IC/IS)

(4.15)

Al crescere della temperatura T, la conduzione è facilitata e quindi la caratteristica d'ingresso cresce (vedi fig. 6), per VBE inferiori ad un valore soggettivo per ogni transistor e detto valore di soglia, la caratteristica di ingresso è praticamente nulla.

Fig. 6 - Caratteristica di ingresso del transistor per tre differenti valori della temperatura (simulazione PSPICE)

-Caratteristica di uscita

La caratteristica di uscita di un transistor bipolare npn è descritta in fig.7. Si individuano tre zone di funzionamento: A, S ed I.

A - zona attiva: è la zona più importante di funzionamento quando il transistor lavora come amplificatore. In questa regione il diodo BE è polarizzato direttamente (BE-PD), il diodo BC è polarizzato inversamente (BC-PI);

S - zona di saturazione: è una zona di funzionamento utilizzata per il transistor soprattutto nelle applicazioni digitali. I diodi BE e BC sono entrambi polarizzati direttamente (BE,BC-PD) per cui non si verifica l'effetto "risucchio", il dispositivo quindi è costituito da due diodi (di schiena) che non concorrono all'effetto voluto;

I - zona d'interdizione: è la zona di non funzionamento corrispondente all' 'off ' digitale. I diodi BE e BC sono entrambi polarizzati inversamente (BE,BC-PI) quindi IB ed IC sono nulli.

Fig. 7 - Caratteristica di uscita del transistor (simulazione PSPICE)

EFFETTO EARLY

Fig. 8 - Caratteristica di uscita del BJT che evidenzia l'effetto Early

Nella zona attiva le curve caratteristiche hanno una pendenza non nulla; infatti, se vengono prolungate per tensioni negative, si ottiene un'unica intersezione in VCE = -VA. VA si definisce tensione di Early (vale all'incirca -50V) ed è un parametro proprio del particolare BJT. Per VBE fissata, al crescere di Vce avviene un aumento della tensione di polarizzazione inversa e un conseguente restringimento della larghezza effettiva di base W. Poiché IS è inversamente proporzionale a W, IS aumenta e per la (4.14) aumenta anche IC. Questo fenomeno è detto effetto Early. La pendenza non nulla delle curve caratteristiche indica che la resistenza di uscita, vista guardando dal Collettore, non è infinita ma vale ro = [(dIC /d VCE )|_VBE=cost ]-1

IL TRANSISTOR