Fondamenti di Elettronica, Sez.3

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1 Fondamenti di Elettronica, Sez.3 Alessandra Flammini Ufficio 24 Dip. Ingegneria dell Informazione Lunedì 16:30-18:30 Fondamenti di elettronica, A. Flammini, AA

2 Transistor BJT e MOS 1

3 Transistore bipolare a giunzione (BJT) B C E B Collettore Transistore npn o pnp Due giunzioni (JC e JE) Concentrazione emettitore atomi/cm 3 Concentrazione base atomi/cm 3 Concentrazione collettore atomi/cm 3 (Regione Carica Spaziale maggiore) Modi di polarizzazione Attivo diretto: JE diretta, JC inversa (Attivo inverso: JE inversa, JC diretta) Saturazione: JE diretta, JC diretta Interdizione: JE inversa, JC inversa E C n C JC JE p Base n Base Emettitore E Se V BC =0 il BJT npn è uguale ad un diodo Effetto transistor (regione di base stretta) BJT npn in polarizzazione attivo diretto differenzia il transistor (la corrente scorre da C ad E) da due diodi (I=0) 2

4 Effetto transistor (npn BJT) Pol. attiva diretta, emettitore comune V C > V B (JC inversa) V B > V E (JE diretta) L elettrone fluisce dall emettitore verso la base in base diventa carica minoritaria ma grazie alla RCS l elettrone ha bassa probabilità di ricombinarsi e viene catturato dalla grande RCS della JC (inversa) e raccolto nel collettore Flusso di corrente I C da C verso E grazie alla base stretta (meno di lunghezza di diffusione) Poca corrente I B entra dalla base B e fluisce verso E (I E = I B + I C ) Le correnti sono indotte da V BE e V CE I B = I C /β (20< β <500) I E = I C + I B Per V CE > V BE, il BJT npn è in regione attiva, I B = I C /β è indipendente da V CE Per V CE < V BE, il BJT npn è in saturazione Per V CE < 0 si invertono i ruoli di B ed E C (3V) n JC JE p B (1V) n E (gnd) 3

5 Comportamento del BJT npn 4 Modello semplificato a emettitore comune

6 Comportamento del BJT npn 5 Interdizione Due giunzioni (JC e JE) polarizzate inversamente I tre terminali sono interdetti rispetto alle correnti dei maggioritari Saturazione Due giunzioni (JC e JE) polarizzate direttamente V CE < V BE (V CE = V CE,sat ~ 0,3V V BE = V BE,sat ~ 0,75V) Anche se aumento la corrente di base, la corrente di collettore non aumenta proporzionalmente I B > I C /β BJT npn e BJT pnp Il BJT npn conduce da C verso E se si applica V BE > 0,7 V Il BJT pnp conduce da E verso C se si applica V EB > 0,7 V (V BE < -0,7 V Punto di lavoro Q Trovare corrente e tensione per una certa rete di polarizzazione B B C E E C

7 Polarizzazione del BJT npn 6 Calcolare I C e V CE (β=50) Si suppone che il BJT sia in polarizzazione attiva La corrente Ib è facilmente calcolabile Ib = (V0-Vbe)/Rb = (V0-0,7V)/Rb In polarizzazione attiva Ic=β*Ib di conseguenza è possibile calcolare Vce=V1-(Rc*Ic) Se Vbe<Vce allora la giunzione di collettore è polarizzata inversamente e l ipotesi di polarizzazione diretta è confermata V0 Rb B V1 Rc C E Gnd Es. V0=V1=5V, Rb=100kOhm, Rc=1kOhm Ib=0,043mA Ic=2,15mA Vce=2,85V Aumentando il valore di V0 aumenta Ib, quindi aumenta Ic e diminuisce Vce, ma Vce non può diminuire oltre Vce,sat=0,3V. In tal caso il BJT passa in saturazione e Ic=(V1-0,3V)/Rc

8 Polarizzazione del BJT pnp Calcolare I C e V EC (β=50) Trattandosi di un pnp le tensioni devono essere viste al contrario (es. il BJT conduce se Veb>0,7V) Ipotesi: polarizzazione attiva La tensione in base è 9V-0,7V=8,3V 8,3V = 18k*I B + 1k*(I B +I C ) I C = β*i B = 50*I B 8,3V = 18k*I B + 1k*51*I B = 69k*I B I B = 0,12mA I C = 6 ma 9V - V EC 1k*(I B +I C ) = 0 V EC = 9V- 1k*6,12mA = 2,88V Attenzione, l'esercizio non è finito, ma bisogna verificare che l'ipotesi di polarizzazione attiva sia corretta ossia che la giunzione JC sia polarizzata inversamente) V CB = 18k*I B = -2,18V (<0, ipotesi polarizzazione attiva corretta) 7

9 Polarizzazione del BJT npn 8 Calcolare I C e V CE (β=75) 12V-36k*I=18k*(I-I B ) 12V-36k*I-0,7V-16k*I E =0 Risolvendo la prima eq. in I e sostituendo nella seconda e ricordando che I E =I B +I C si ottiene: 12V- 36k*(12+18*I B )/54k -0,7V-16k*76*I B 12V-8V- 12k*I B -0,7V 1216k*I B I B = 3,3V/1228k = 2,68 µa I C = β*i B = 75*I B = 201 µa V CE = 12V 22k*I C 16k*I E = 4,32V V BC = V BE - V CE = -3,62 V (negativa, ipotesi polarizzazione attiva corretta) Si poteva risolvere anche con Thevenin Veq = tensione di partitore Req = resistenza parallelo equivalente

10 Polarizzazione del BJT npn 9 Calcolare R C e R E Nota: il circuito è equivalente a quello deve la tensione minore è posta a zero Ipotesi polarizzazione diretta 5V-R C *Ic- V CE -R E *I E = -5 -R B *I B - V BE - R E *I E = -5 Dalla seconda eq. sostituisco I B = I C /β = 5µA e I E = I C + I B = 505µA e ricavo R E = 7,92kΩ e quindi dalla prima equazione ricavo R C = 4,0kΩ Devo verificare l ipotesi del transistore in zona diretta: V BE > 0 OK V BC = V B - V C = -R B *I B (5V- R C *I C ) - 0,3-3 = - 3,3V negativa quindi OK

11 10 Processi di fabbricazione Transistore BJT npn Si parte da una regione drogata Sulla quale viene fatto crescere uno strato di biossido di Si e applicato uno strato di fotoresist e una maschera. Si espone a raggi ultravioletti e la parte di fotoresist non coperta dalla maschera viene rimossa; mediante attacchi chimici viene rimosso il SiO 2 creando varchi per esposizione al drogante E più difficile integrare resistenze

12 Il condensatore MOS 11 La deposizione di SiO 2 crea un condensatore Lo strato di SiO 2 è il dielettrico (pochi nm) E molto facile realizzare una C Nei transistori si hanno molte C non volute Se V G è a tensione negativa o nulla (accumulazione) Le lacune del substrato si accumulano presso lo strato di SiO 2 Se V G è a tensione positiva e < Vth (svuotamento) Le lacune del substrato vicino allo strato di SiO 2 sono respinte nel substrato e si crea uno strato a debole carica negativa Se V G è a tensione positiva e > Vth (inversione) Per effetto body si genera uno strato di portatori n nel substrato vicino allo strato di SiO 2 (canale n di conduzione)

13 Il condensatore MOS 12 L area di inversione è come un canale di portatori n in substrato p

14 Transistore MOS 13 Condensatore con due regioni opposte a lato Se applico V GS >Vth si crea un canale di conduzione n tra Drain e Source (conduzione se V DS >0) -> nmos Corrente di Body (substrato) nulla Ingresso (gate) capacitivo, corrente di Gate I G nulla (perdite)

15 14 Comportamento del nmos (R-like) V GS -Vth>V DS Si ha conduzione I D da Drain a Source solo nel caso c) se V DS >0 Se V GS -Vth>V DS >0 allora I D =k(v GS -Vth)V DS Regione Lineare (triodo) Il transistore si comporta come un resistore tra S e D controllato da V GS

16 15 nmos: regione lineare e saturazione V GS -Vth<V DS Se V DS cresce si ha strozzamento del canale (pinch-off) I D satura ad un valore costante indipendente da V DS e dipendente da V GS I D = (k/2)(v GS -Vth) 2

17 pmos 16 Funzionamento duale Conduce per V G <0

18 nmos e pmos 17 Funzionamento duale (si considerano V SD e V SG invece di V DS e V GS ed è tutto uguale) nmos pmos

19 MOS a svuotamento 18 Si crea un canale per impiantazione ionica Per V GS = 0 scorre corrente I DS e serve V GS < 0 per aver I DS =0 (nmos). Per pmos considerare V SG e I SD 12V-36k*I=18k*(I-I B )

20 Tipi di MOS 19 nmos (arricchimento) G D S pmos (arricchimento) G D S G D S

21 nmos arricchimento: riassunto Il transistore nmos ad arricchimento è un condensatore MOS con substrato p e aree laterali di drogaggio n (Source e Drain) Il gate è isolato (strato di SiO 2 ), I G 0 (ho una capacità d ingresso) Esiste una tensione di soglia Vth (=V TN ~1V nel nmos) con la quale si confronta la tensione V GS, nell ipotesi V DS >0 Se V GS - V TN << 0 Source (S) e Drain (D) sono isolate Se V GS - V TN < 0 si crea una regione di svuotamento ma passa solo una debolissima corrente (perdite) Se V GS - V TN >~ 0 si incomincia a creare un sottile canale di conduzione che genera una corrente I DS = I D che dipende da V DS Se V DS è piccolo, ossia V GS -V TN >V DS >0 allora I DS = k(v GS -Vth)V DS Regione lineare (Triodo), k ~ 100µA/V 2 Il transistore si comporta come un resistore tra S e D con R k(v GS -V TN ) -1 Se 0 < V GS - V TN < V DS allora I DS = (k/2)(v GS -Vth) 2 Si chiama saturazione perché I D non aumenta più all aumentare di V DS Il grande valore di V DS sbilancia il canale che si strozza (pinch-off) 20

22 MOS, polarizzazione 21 Trovare punto di lavoro, I DS, V DS Ipotesi: saturazione I DS = (k/2)(v GS -Vth) 2 I G =0 quindi V GS è la tensione di partitore di R1 su R2, V GS = 3V I DS = 12.5*2 2 = 50 µa V DD -R D *I D -V DS =0 da cui e V DS = 5V Verifica ipotesi saturazione: V DS > V GS -Vth ossia 5>2 OK

23 MOS, polarizzazione 22 Trovare punto di lavoro, I DS, V DS Ipotesi: saturazione I DS = (k/2)(v GS -Vth) 2 I G =0 quindi V G è la tensione di partitore di R1 su R2, V G = 4V 4 = V GS + R S *I DS = V GS + R S * (k/2)(v GS -Vth) 2 da cui V GS V GS 7.21=0 le cui soluzioni sono V GS = -2.71V; 2.66V La prima soluzione V GS <Vth è contraria all ipotesi (interdizione) I D = 12.5* = 34.4 µa V DD -R D *I D -V DS -R S *I D =0 da cui e V DS = 6.08 V Verifica ipotesi saturazione: V DS > V GS -Vth ossia 6>1.6 OK

24 MOS, polarizzazione 23 Trovare punto di lavoro, I DS, V DS (V TN = Vth) Ipotesi: saturazione I DS =I D = (k/2)(v GS -Vth) 2 I G =0 quindi V GS = V DS V GS = V DS = V DD - I D *R D V GS = V DD - R D * (k/2)(v GS -Vth) 2 da cui 1.3V GS2-1.6V GS 2=0 le cui soluzioni sono V GS = V; 2.0V La prima soluzione V GS <Vth è contraria all ipotesi (interdizione) I D = (k/2)(v GS -Vth) 2 = 1.3*10-4 *1 2 = 130 µa Verifica ipotesi saturazione: V DS > V GS -Vth ossia 2>1 OK

25 MOS, polarizzazione 24 Trovare punto di lavoro, I DS, V DS (V TN = Vth) Ipotesi: saturazione I DS =I D = (k/2)(v GS -Vth) 2 I G =0 quindi V GS = V DD = 4V I D = 125(4V-1V) 2 = ma V DS = V DD - R D * I D = 2.2V Verifica ipotesi saturazione: V DS > V GS -Vth ossia 2.2>3 NO! Ipotesi funzionamento in regione lineare I D =k(v GS -Vth)V DS I D =k(v GS -Vth)V DS = 250µ*3*V DS e V DS = V DD - R D * I D = 4-1.6k*I D Risolvendo il sistema si trova V DS = 4/2.2 = 1.82V e I D = 1.365mA Verifica ipotesi lineare: V GS -Vth>V DS >0 ossia 3>1.82>0 OK