Elettronica Il transistore bipolare a giunzione

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1 Elettronica Il transistore biolare a giunzione Valentino Liberali Diartimento di Fisica Università degli Studi di Milano valentino.liberali@unimi.it Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio 2015 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 Contenuto 1 Il transistore biolare a giunzione 2 Guadagno di corrente del transistore biolare a giunzione 3 Regioni di funzionamento del transistore biolare a giunzione 4 Esemio di circuito con transistore biolare a giunzione 5 Analisi di iccolo segnale Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 1

2 Programma - Parte 6 6 Disositivi e circuiti elettronici. a. I semiconduttori. b. Il diodo a giunzione. c. Il transistore biolare a giunzione. d. Il transistore MOS. e. La tecnologia CMOS. f. Porte logiche in tecnologia CMOS. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 Transistore biolare a giunzione (1/5) (BJT = Biolar Junction Transistor) È costituito da DUE giunzioni -n searate da una distanza minore della lunghezza di diffusione dei ortatori minoritari nella regione intermedia: x B < L er un transistore PNP (oure x B < L n er un transistore NPN) E emettitore B base C collettore n x B Può essere di tio n (figura) oure nn. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 2

3 Transistore biolare a giunzione (2/5) E emettitore B base n C collettore x B E = emettitore (emitter) B = base (base) C = collettore (collector) Quando la giunzione E-B è olarizzata direttamente e la giunzione C-B è olarizzata inversamente si ha l effetto transistor. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 Transistore biolare a giunzione (3/5) = lacune = elettroni I E E B C I C n ricombinazione I B regione di svuotamento Giunzione E-B: iniezione di ortatori Base sottile (x B L ): la maggior arte delle lacune iniettate, muovendosi er diffusione nella base, raggiunge la giunzione di collettore senza ricombinarsi Giunzione C-B olarizzata inversamente: quando raggiungono la regione di svuotamento, le lacune vengono attirate verso C dal otenziale di giunzione Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 3

4 Transistore biolare a giunzione (4/5) EMETTITORE PIÙ DROGATO DELLA BASE er avere una corrente dovuta quasi esclusivamente ai ortatori iniettati dall emettitore (lacune er un transistore n; elettroni er un transistore nn) BASE SOTTILE risetto alla lunghezza di diffusione er avere oca ricombinazione di ortatori nella base Quando la giunzione E-B è olarizzata direttamente e la giunzione C-B è olarizzata inversamente (regione attiva), quasi tutti i ortatori iniettati dall emettitore attraversano la base senza ricombinarsi e vengono raccolti dal collettore I C = αi E con α quasi uguale a 1 (ma α < 1 erché c è I B ) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 Transistore biolare a giunzione (5/5) = lacune = elettroni I E E B C I C n ricombinazione I B regione di svuotamento I C = αi E I E = I C + I B I B = (1 α)i E (di solito in regione attiva I B è trascurabile) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 4

5 Simbolo del transistore biolare I E E C I C V EB I B B V CB Transistore PNP I E E C I C V BE I B B V BC Transistore NPN Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 Guadagno di corrente del BJT (1/2) I E E C I C V EB I B B V CB I C = αi E I E = I C + I B I B = (1 α)i E I C = α 1 α I B = βi B β = guadagno di corrente Normalmente, β 1. Ad esemio, se α = 0.99, β 100. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 5

6 Guadagno di corrente del BJT (2/2) Il transistore biolare olarizzato in regione attiva (giunzione E-B in diretta, giunzione C-B in inversa) si comorta da amlificatore di corrente (generatore di corrente controllato in corrente). La corrente di ingresso è la corrente di base I B La corrente di uscita è la corrente di collettore I C Il guadagno di corrente è β: β = α 1 α 1 1 α (se α 1) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 Regioni di funzionamento del BJT (1/2) giunzione E-B giunzione C-B funzionamento inversa inversa interdizione (sento, off ) diretta inversa regione attiva (diretta) diretta diretta saturazione inversa diretta regione attiva (inversa) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 6

7 Regioni di funzionamento del BJT (2/2) Quando il transistore è in interdizione (sento), le correnti sono nulle: I B = I C = I E = 0 Quando il transistore è in saturazione, la differenza di otenziale tra E e C è trascurabile: V EB = V γ V CB = V γ V CE 0 Quando il transistore è in regione attiva: V EB = V γ I C = βi B Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 Circuito con transistore biolare (1/8) +V CC R C v OUT + Q 1 v IN Q 1 (reg. attiva): V γ = 0.7 V, β = 100; V CC = 5 V; R C = 1 kω; = 10 kω. Trovare il unto di lavoro er v IN = 0 V, 1 V e 5 V. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 7

8 Circuito con transistore biolare (2/8) Analizziamo er rimi i casi estremi: v IN = 0 V e v IN = 5 V. v IN = 0 V Q 1 sento: I B = I C = I E = 0. Nel circuito non assa corrente; V B = 0; V C = V CC = 5 V. La tensione di uscita è v OUT = V C = 5 V. v IN = 5 V Q 1 in saturazione: V BE = V BC = V γ = 0.7 V. V B = 0.7 V; V C = 0; I B = V in V B = 0.43 ma; I C = V CC V C R C = 5 ma. La tensione di uscita è v OUT = V C = 0. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 Circuito con transistore biolare (3/8) Se i valori di tensione 0 e 5 V corrisondono risettivamente ai bit 0 e 1, ossiamo rieilogare il funzionamento del circuito con la tabella (X = bit di ingresso; Y = bit di uscita) X v IN Q 1 v OUT Y 0 0 V interdizione ( off ) 5 V V saturazione 0 V 0 Leggendo la rima e l ultima colonna, si ricava che il circuito realizza la funzione di una orta logica NOT (inverter): X Y Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 8

9 Circuito con transistore biolare (4/8) v IN = 1 V Q 1 in regione attiva: V BE = V γ = 0.7 V; I C = βi B. V B = 0.7 V; I B = v IN V B = 0.03 ma; I C = βi B = 3 ma; V C = V CC R C I C = 2 V. La tensione di uscita è v OUT = V C = 2 V. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 Circuito con transistore biolare (5/8) Se v IN, oltre ad avere il valore costante V IN = 1 V, ha anche una comonente variabile (ad esemio, sinusoidale) di amiezza iccola (ad esemio, 50 mv) e media nulla (iccolo segnale) v in (t): v IN (t) = V IN + v in (t), dove v in (t) = V 1 sin 2πft L amiezza di icco del iccolo segnale è V 1 = 50 mv; la tensione di ingresso v IN (t) varia tra un minimo di 0.95 V (= V IN V 1 ) e un massimo di 1.05 V (= V IN + V 1 ) V 0.95 V v IN (t) t Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 9

10 Circuito con transistore biolare (6/8) Q 1 rimane semre in regione attiva: V BE = V γ ; V B = 0.7 V. i B (t) = v IN(t) V B ; la corrente i B (t) varia tra un minimo di ma e un massimo di ma. i C (t) = βi B (t); la corrente i C (t) varia tra un minimo di 2.5 ma e un massimo di 3.5 ma. v C (t) = V CC R C i C (t); la tensione v C (t), che è anche la tensione di uscita v OUT (t), varia tra un massimo di 2.5 V e un minimo di 1.5 V. Notare che ad un aumento della tensione v IN (t) corrisonde un aumento delle correnti i B (t) e i C (t), e una diminuzione della tensione v C (t). Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 Circuito con transistore biolare (7/8) 1.05 V 0.95 V 2.5 V v IN (t) v OUT (t) t 1.5 V t Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 10

11 Circuito con transistore biolare (8/8) Per il segnale v in (t) = V 1 sin 2πft, il circuito si comorta da amlificatore invertente con guadagno di tensione A V : A V = 0.5 V 50 mv = 10 La tensione di ingresso v IN viene convertita nella corrente i B dalla resistenza La corrente i B viene amlificata dal transistore, roducendo la corrente di uscita i C La corrente i C viene convertita nella tensione di uscita v OUT dalla resistenza R C Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 Analisi di iccolo segnale (1/2) Combinando le equazioni: i B (t) = v IN(t) V B i C (t) = βi B (t) v OUT (t) = v C = V CC R C i C (t) otteniamo: v OUT (t) = V CC R C β v IN(t) V B Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 11

12 Analisi di iccolo segnale (2/2) Seariamo le comonenti in continua e di segnale: La comonente in continua è: mentre la comonente di segnale è: v OUT (t) = V OUT + v out (t) V OUT = V CC R C β V IN V B v out (t) = R C βv in (t) = 10 v in (t) Il guadagno di tensione è: A V = R C β = 10 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Il transistore biolare a giunzione 6 maggio / 23 12