Dispositivi elettronici. Il transistor bipolare a giunzione (bjt( bjt)
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- Guglielmo Vaccaro
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1 Dispositivi elettronici l transistor bipolare a giunzione (bjt( bjt)
2 Sommario l transistor bipolare a giunzione (bjt) come è fatto un bjt principi di funzionamento (giunzione a base corta) effetto transistor (W <<L n, p ) effetto di amplificazione (N >>N )..
3 npn bjt (bipolar junction transistor) W mettitore () tipo-n regione di mettitore () tipo-p regione di ase () tipo-n regione di ollettore () ollettore () Giunzione ase-emettitore (J) () ase Giunzione ase-collettore (J)
4 pnp bjt (bipolar junction transistor) W mettitore () tipo-p regione di mettitore () tipo-n regione di ase () tipo-p regione di ollettore () ollettore () Giunzione ase-emettitore (J) () ase Giunzione ase-collettore (J)
5 modi di funzionamento Giunzione ase-emettitore (J) nversa Giunzione ase-collettore (J) nversa MODO SPNTO Diretta Diretta SATURAZON Diretta nversa ATTA Diretta nversa Diretta ATTA nversa
6 l bjt per avere un corretto funzionamento deve avere due caratteristiche principali: Spessore di base molto sottile se confrontato con la lunghezza di diffusione dei portatori minoritari nella base (per avere effetto transistor): W << L Drogaggio di emettitore molto maggiore del drogaggio di base (per avere amplificazione): N >> N (> N )
7 Principio di Funzionamento (trascuriamo lo spessore delle RS) onsidero unbjt npn n polarizzazione attiva diretta Nel quale non siano soddisfatte le due condizioni precedentemente descritte. Sia quindi: W >> L, N N
8 osa succede se W >> L, N N n (emitter) p (base) n (collector) l. nj l. Ric. La giunzione polarizzata in inversa fornisce una corrente trascurabile (s) Giunzione Polarizzata direttamente Lac. nj Lac. Ric. Giunzione Polarizzata inversamente
9 osa succede se W >> L, N N Quindi se la base del transistor non è stretta, tutti gli elettroni iniettati dall emettitore si ricombinano in base e la giunzione polarizzata in inversa non dà nessun contributo (quasi). È come se fosse: QUND: 0 NON HO NSSUN FFTTO TRANSSTOR
10 Principio di funzionamento onsidero unbjt npn n polarizzazione attiva diretta he sia a base stretta W << L (considero nulla la ric. in base) on drogaggio di emettitore e base uguali: N N
11 ase stretta W << L, N N n (emitter) p (base) n (collector) l. nj l. Ric. La giunzione polarizzata in inversa raccoglie tutti gli elettroni. Giunzione polarizzata direttamente Lac. nj Giunzione polarizzata inversamente
12 ase stretta W << L, N N Se la base del transistor è stretta, (quasi) tutti gli elettroni iniettati dall emettitore raggiungono la giunzione polarizzata in inversa (il loro tempo di permanenza in base è molto minore del loro tempo medio di ricombinazione). La giunzione polarizzata in inversa raccoglie tutti gli elettroni e li spinge (grazie al campo elettrico favorevole) verso il collettore dando così luogo ad una corrente di collettore. Tuttavia essendo N N la corrente di collettore è uguale a quella di base. QUND: 2 È FFTTO TRANSSTOR MA NON È AMPLFAZON
13 Principio di funzionamento onsidero unbjt npn n polarizzazione attiva diretta he sia a base stretta W << L (considero nulla la ric. in base) on drogaggio di emettitore maggiore (molto) del drogaggio di base: N >> N
14 ondizioni ideali W << L, N >> N n (emitter) p (base) n (collector) l. nj l. Ric. A fronte di poche lacune iniettate in base, nel collettore arrivano molti elettroni! Giunzione Polarizzata direttamente Lac. nj Giunzione Polarizzata inversamente
15 ondizioni ideali: W << L, N >> N Se il drogaggio di emettitore è molto maggiore del drogaggio di base, a fronte di una piccola quantità di lacune iniettate in base (per la legge della giunzione) si ha un gran numero di elettroni iniettati dall emettitore che raggiungono il collettore (continua a esserci la base stretta). QUND: >> È FFTTO TRANSSTOR ANH AMPLFAZON
16 Analisi semplificata onsidero unbjt npn n polarizzazione attiva diretta he sia a base stretta W << L (non trascuro la ricombinazione in base) on drogaggio di emettitore maggiore (molto) del drogaggio di base: N >> N Trascuro il contributo della J (polarizzata in inversa) Trascuro la Gen/Ric nelle RS (peraltro mai considerate)
17 Analisi semplificata n (emitter) p (base) n (collector) n n R p
18 Analisi semplificata ndichiamo con e le tensioni applicate alle giunzioni ase_mettitore e ase-ollettore rispettivamente, con la convenzione che tali tensioni si intendono positive in caso di polarizzazione diretta e negative in caso di polarizzazione inversa n polarizzazione attiva diretta sarà quindi: < 0, > 0.
19 Analisi semplificata ( n ) n (emitter) p (base) n (collector) n (0) p (0) n T ( 0) n e n 0 p 0 n (x) X0 A W qd dn dx p 0 ( x) n ( 0) A x qd W
20 Analisi semplificata ( ) n (emitter) p (base) n (collector) p 0 p (0) X0 n (0) W n n p 0 x NOTA: non ho considerato la R in quanto n >> R e quindi n n - i T e n n A qd n NW 2 S e T
21 Analisi semplificata ( ) n (emitter) p (base) n (collector) p 0 n (0) p (0) W Q n p 0 p AqD N L n 2 i e Dalla legge della giunzione T p R x R Q τ b n Q n carica di minoritari in base τ b tempo di vita dei minoritari
22 Analisi semplificata ( ) ( ) T 2 i n e 2N W n q A 2 W 0 n q A Q T b 2 i R e 2N W n q A τ β τ + + b 2 S R p e 2D W L W N N D D T
23 Analisi semplificata ( ) β D D N N W L W 2D τ b βguadagno di corrente ad emettitore comune Per avere valori di β elevati bisogne avere: ase stretta (W piccolo) e poco drogata rispetto all emettitore (N /N piccolo)
24 Funz. in zona ATTA DRTTA α α β β + β α α β β + β β e 1 1 S T T T T S S S e e e β β α α αguadagno di corrente a base comune
25 Modello circuitale + v _ β N ZONA ATTA DRTTA ( β ) _ β ( β ) + 1
26 Funz. in zona di SATURAZON Giunzione Giunzione MODO ase-emettitore ase-collettore Diretta Diretta SATURAZON n (emitter) Giunzioni polarizzate direttamente p (base) n (collector) ccesso di portatori accumulati in base che danno problemi nella commutazione < β
27 N ZONA D SATURAZON Modello circuitale _ Le correnti, e sono determinate dal circuito esterno + < β
28 Funz. in NTRDZON Giunzione Giunzione ase-emettitore ase-collettore MODO nversa nversa SP NTO n (emitter) Giunzioni polarizzate inversamente p (base) n (collector) Trascurando la corrente di saturazione inversa
29 Modello circuitale N NTRDZON 0 0 0
30 Funz. in ATTA NRSA Giunzione ase-emettitore nversa Giunzione ase-collettore Diretta MODO ATT A n ve r sa edremo dopo che il bjt non e simmetrico, c è ancora effetto transistor, ma c è poca (anche < 1) amplificazione!! NON N MA USATA! n (emitter) Giunzione polarizzata inversamente p (base) n (collector) Giunzione polarizzata direttamente
31 Simboli circuitale e convenzioni npn pnp La freccia presente nel terminale di emettitore indica il verso della corrente. on la convenzione adottata nel verso delle correnti, nel normale funzionamento, si troveranno sempre correnti positive.
32 (ma) Transistor bipolare a giunzione aratt. ad mettitore omune Saturazione Attiva () 50 µa 40 µa 30 µa 20 µa 10 µa nterdizione β _ Dalla trattazione Semplificata, non c è Dipendenza da ()
33 FFTTO ARLY n (emitter) p (base) n (collector) n p (0) P n (0) n p n0 pn0 W n(x) p n(0) p n AqDn AqDn x W n dipende dal gradiente di concentrazione di elettroni in base
34 FFTTO ARLY n (emitter) p (base) n (collector) n p (0) P n (0) p n0 pn0 W W n Aumentando, aumenta anche la polarizzazione inversa della J Si ha un allargamento della RS e diminuzione di W Questo comporta un aumento del gradiente di concentrazione di elettroni in base con il conseguente aumento di n
35 A Transistor bipolare a giunzione FFTTO ARLY caratt. uscita Tensione arly (ma) µa () 40 µa 30 µa 20 µa 10 µa
36 FFTTO ARLY caratt. uscita r 0 T Se 1+ A, cost A 1 A Tensione arly (ma) µa () 40 µa 30 µa 20 µa 10 µa r 0 ha importanti ripercussioni sul funzionamento del transistor come amplificatore
37 Struttura dei transistor attuali p n + n - n + n + Si-p bulk
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