Bipolar Junction Transistors

Transcript

1 Bipolar Junction Transistors

2 Struttura di un BJT ideale I C I E Collector (N) Base (P) Emitter (N) I B V BE V CE I E Emitter (P) Base (N) Collector (P) I B V EB V EC I C sandwich NPN o PNP la Base è molto sottile un buon BJT soddisfa le relazioni: I C I C B E I I I C I e S qv BE kt

3 BJT Struttura Planare Struttura planare sviluppata da Fairchild verso la fine degli anni 50 Lo spessore di base è fissato dalla profondità diffusione di p ed n

4 Sezione di un BJT moderno sandwich npn verticale lo strato sepolto n+ è un collegamento a bassa resistenza verso il contatto di collettore

5 Layout del BJT L area di emettitore è un parametro fondamentale Si possono realizzare strutture interdigitate (multi-finger) per ridurre la resistenza di base

6 Principio di funzionamento Diagramma a bande in assenza di polarizzazione BJT NPN Nelle tre regioni c è disponibilità di portatori, ma la presenza delle giunzioni impedisce il loro passaggio da regione a regione

7 Applicazione di una modesta ddp fra B e C, tale da aumentare il campo elettrico nella giunzione B- C (pol. inversa) Allargamento della regione di carica spaziale B-C

8 Aggiunta di una polarizzazione diretta fra B ed E Iniezione di elettroni da E verso B Diffusione verso la giunzione B-C La corrente di collettore è regolata dalla tensione di polarizzazione E-B

9 Alcuni elettroni liberi in base si ricombinano con lacune libere Dunque la regione di base perde lacune, che devono essere reintegrate da una corrente di lacune entrante dal contatto di base

10 Correntididiffusione metallo regione svuotata In prima approssimazione, le distribuzioni dei portatori minoritari nella base e nell emettitore sostengono correnti di diffusione costanti lungo x

11 Correnti nel BJT La corrente di collettore coincide (quasi) con quella di emettitore Kirchhoff: I I C F E I I I E C B F.999 Guadagno di corrente DC: I I ( I I ) C F E F B C F I I I 1 C B F B F F F F 999

12 Origine del parametro α F Alla giunzione base-emettitore c è un iniezione di lacune verso l emettitore, dunque la corrente di base non è nulla. Inoltre una parte di elettroni si ricombina in base E B C

13 Corrente di Collettore E circa pari alla corrente di diffusione di elettroni (provenienti dall Emettitore) attraverso la base: dn diff p qdnn pb0 Jn qdn e dx WB qv BE kt I S qd n n pb0 E W B A I C I e S qv BE kt

14 CorrentediBase E circa pari alla diffusione di lacune attraverso l emitter: J qd dp qd p e qv BE diff ne p ne0 kt p p dx WE I B qd p qv BE p ne0 E kt W E A e

15 Guadagno di Corrente F qdnn pboae I W C B D n n pb0 W E I qd B ppneoae D p pne0 WB WE 2 ni n N N p N pb0 A, B D, E 2 ne0 ni NA, B DE, Minimizzare lo spessore di base Massimizzare il drogaggio di emitter Ma attenzione al BANDGAP NARROWING

16 Corrente di Base: componente di ricombinazione I I Bric, Bric, 1 2 Q b n b (Modello a controllo di carica) qa W n 2 E B i N A Q e n v BE V 1 2 T qa W n 2 E B i N A e v BE V T I B 2

17

18 Controllo di I C attraverso I B Saturation Region (Low Output Resistance) Breakdown Linear Increase Reverse Active Forward Active Region (Very High Output Resistance)

19 Controllo di I C attraverso la tensione di base-emettitore Saturation Region (Low Output Resistance) ~0.3V Breakdown Exponential Increase Reverse Active Forward Active Region (High Output Resistance)

20 Modello avanzato della Ic dp Jp qdp q ppe dx La corrente di lacune in base è quasi nulla: 0 dunque: 1 dp E VT pdx Se il drogaggio di base è costante, allora E=0, ma in genere non è così perché il drogaggio diminuisce muovendosi verso il collettore Con E0, la corrente di elettroni in base è sostenuta sia dalla diffusione che dal trascinamento: dn D dp dn dx p dx dx n Jn qdn q nne q n p Dn d( pn) Jn q p dx

21 Integrando fra due generiche ascisse x e x si ha: ed integrando attraverso la base: ovvero (legge della giunzione): J n J n q J n x' x pdx qd n x' x d pn pw nw p n (0) (0) B W o B B p dx D VBC VBE VBC VBE 2 VT VT 2 VT VT qni e e qni e e WB WB p 1 dx pdx D D o n n o n J C

22 Modello di Ebers-Moll Modello circuitale (utilizzato nei simulatori SPICE): diodi + generatori di corrente controllati in corrente IF IES e IR ICS e V V V V BE T BC T 1 1 I I I E F R R I I I C R F F

23 Equazioni di Ebers-Moll V / / 1 1 BE Vth VBC Vth I I e I e E ES R CS V / / 1 1 BE Vth VBC Vth I I e I e C F ES CS I I F ES R CS

24 Es: regione attiva diretta Valori tipici: VBE 0.7 V CE 0.2 V 0.5 BC

25 Fenomeni parassiti nel BJT

26 Effetto Early Saturation region Active region V BE3 V BE2 V BE1 -V A V CE Early Effect La corrente in regione attiva dipende leggermente da v CE V A è un parametro del BJT (normalmente da 50 a 100 V) chiamato tensione di Early Una pendenza non nulla implica che la resistenza di uscita non è infinita

27 Effetto Early E dovuto al progressivo svuotamento della base a cavallo della giunzione C-B all aumentare di V CB (modulazione dello spessore di base) Una base più corta implica un aumento della corrente di diffusione EBJ CBJ dn/dx V CB > V CB W base

28 Resistenza di collettore, r C Riduce la pendenza della caratteristica in regione di saturazione In regione attiva il dispositivo è un generatore di corrente e dunque la rc in serie ha un effetto trascurabile Peggiora il funzionamento in applicazioni switching e ad alte frequenze

29 Resistenza di base, r B Ha effetti principalmente sul funzionamento a piccoli segnali (fequenza max) Riduce della quantità I B r B la tensione effettivamente applicata alla giunzione B-E

30 Resistenza di emettitore, r E Riduce di una quantità I E r E la V be effettivamente applicata alla giunzione BE

31 GUMMEL PLOT Alle medie polarizzazioni il βè abbastanza indipendente da V BE (o da Ic) Alle polarizzazioni elevate il βdiminuisce

32 Uno dei motivi della riduzione del βalle elevate correnti è l aumento della concentrazione dei portatori maggioritari (h) conseguente al raggiungimento di elevati livelli di iniezione di elettroni J n VBC 2 VT qni e e WB 1 pdx D n o V V BE T

33 Il βsi riduce anche alle basse polarizzazioni, perchè la I B è sostenuta principalmente dalla ricombinazione nella rcs (non utile ai fini dell iniezione in base)

34 Breakdown I limiti fisici sono riconducibili a quelli delle giunzioni pn C è però una dipendenza dal circuito esterno di polarizzazione Nella configurazione a base comune, la tensione massima fra base e collettore con emettitore aperto, BV CBO, è determinata dalla moltiplicazione a valanga attraverso la regione svuotata della giunzione CB Nella configurazione ad emettitore comune, la massima tensione fra E e C con base aperta, BV CEO, può essere molto più piccola della BV CBO n BV BV BV 1 CBO CEO CBO n con 2 < n < 4