Principi di funzionamento del transistore bipolare (BJT)

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1 Principi di funzionamento del transistore bipolare (BJT) Introduzione Il transistore bipolare a giunzione (bipolar junction transistor BJT) è il componente elettronico più importante della tecnologia bipolare. Il suo funzionamento è basato sulla teoria della giunzione pn. Infatti la sua struttura è ottenuta alternando tre zone di semiconduttore drogate in modo opposto. Così facendo le combinazioni possibili sono soltanto due: NPN e PNP. I simboli utilizzati nel disegno elettrico di questi due dispositivi (device) sono indicati in figura (spesso il cerchio è omesso): NPN PNP Al terminale con la freccia si dà il nome di emettitore (emitter), a quello centrale base (base) e al rimanente di collettore (collector). La corrente di emettitore ha sempre verso (convenzionale) opposto a quello delle correnti di base e di collettore ed è pari in intensità alla loro somma: Ie=Ib+Ic A tal proposito si noti che questo dispositivo lavora in corrente cioè il comportamento elettrico è caratterizzato dai flussi dei portatori maggioritari e minoritari a cui corrispondono opportuni livelli di tensione tra i tre terminali e non viceversa (del resto anche per il diodo a giunzione vale lo stesso concetto). L'aggettivo bipolare sta a significare che entrambi i portatori di carica elettrica (lacune ed elettroni) concorrono al funzionamento. Successivamente affronteremo lo studio di un altro dispositivo il transistore MOSFET (più noto semplicemente come MOS) detto anche transistore unipolare proprio perché solo un portatore è coinvolto nel suo funzionamento. Il MOS inoltre ha un'altra importante diversità: lavora in tensione e non in corrente come il bjt. Studieremo ora il comportamento elettrico del BJT al variare della polarizzazione delle due giunzioni: Je giunzione tra base ed emettitore e Jc giunzione tra base e collettore Funzionamento in zona (regione) attiva o lineare In questa zona di funzionamento la Je è polarizzata direttamente (forward biasing) e la Jc inversamente (reverse biasing) come indicato in figura.

2 Se temporaneamente apriamo il circuito di collettore siamo in presenza di una giunzione polarizzata direttamente; perciò se la f.e.m. Vbb ha tensione superiore alla V γ circola una corrente Ie = Ib dovuta ai portatori maggioritari (nel caso del BJT npn sono elettroni che vanno dall'emettitore in base e lacune in senso opposto). Se supponiamo il drogaggio delle due zone analogo il contributo alla corrente dei due portatori è praticamente identico. Viceversa, se apriamo il circuito di emettitore la f.e.m. applicata Vcc polarizza inversamente la Jc quindi circola solo la corrente di saturazione inversa detta Icbo (cioè tra collettore e base con l'emettitore aperto open). Questa corrente è debole e fortemente dipendente dalla temperatura. Vediamo ora cosa accade se la maglia di emettitore e quella di collettore sono entrambe chiuse. Nel caso del BJT npn gli elettroni provenienti dall'emettitore che attraversano la Je diventano portatori minoritari in base. Se si fa in modo che una buona parte di questi portatori non si ricombini essi potranno migrare in collettore visto che i portatori minoritari sono agevolati nel passaggio di una giunzione polarizzata inversamente. Ma com'è possibile che ciò accada? E' necessario realizzare la base con uno spessore ridotto rispetto alla distanza di ricombinazione degli elettroni che provengono dall'emettitore. Ora si comprende perché la base è stata disegnata più stretta delle altre due zone (altrimenti un transistore potrebbe essere ottenuto come la semplice connessione antiserie di due diodi!); possiamo affermare inoltre che è conveniente drogare in modo differenziato l'emettitore e la base. Infatti, nel BJT npn gli elettroni emessi (da qui il nome emettitore) che entrano in base possono essere catturati dal collettore (se come detto la base è stretta); invece le lacune (che vanno dalla base all'emettitore) non possono in alcun modo far aumentare la corrente di collettore. E' conveniente pertanto drogare molto l'emettitore rispetto alla base riducendo così drasticamente la corrente dovuta alle lacune. La percentuale di portatori generati nell'emettitore che entra in collettore in un BJT di buone caratteristiche è prossima all'unità e si indica con α detto guadagno statico di corrente a base comune per ampi segnali: Ic=α Ie Icbo quindi la corrente di collettore è data dai portatori non ricombinati in base provenienti dall'emettitore diminuita della corrente di saturazione inversa dovuta alla polarizzazione inversa della Jc. La parte di portatori entrati in base che si ricombina dà origine alla Ib (vale sempre l'equazione fondamentale Ie = Ib + Ic). In questa zona di funzionamento c'è un legame sostanzialmente lineare tra le correnti Ib e Ic: Ic=h FE Ib h FE si definisce guadagno statico di corrente ad emettitore comune per ampi segnali (talvolta viene indicato con β anche se non è esattamente la stessa cosa). Questa relazione dà il nome alla regione di funzionamento: la corrente di base e quella di collettore sono legate linearmente tra loro. Dato che Ib è molto inferiore a Ic (dipende dal tipo di transistore, approssimativamente si va da 1/10 a 1/1000) si capisce che agendo su una corrente molto piccola si può variare ampiamente il valore di Ic. Negli amplificatori di tensione si sfrutta questa caratteristica collegando all'ingresso (nel circuito di base) la fonte di segnale (sovrapposta a quella di polarizzazione) da amplificare. La Ic varia ampiamente (con valor medio pari comunque a quello statico) e pertanto la caduta sulla resistenza di carico Rc è data dalla somma della componente media statica più una replica amplificata della fonte di segnale in ingresso. In verità spesso non è possibile far attraversare una corrente continua al generatore di segnale così si usa un accoppiamento capacitivo sia in ingresso che in uscita per separare la componente di segnale da quella di polarizzazione. Lo studio degli amplificatori è un argomento che verrà ripreso ed approfondito in elettronica al quarto anno.

3 Caratteristiche di uscita del BJT ad emettitore comune Se andiamo a disegnare su un grafico il legame teorico tra la corrente di collettore Ic e la tensione Vce disegniamo quelle che si chiamano caratteristiche di uscita del BJT connesso ad emettitore comune (le più utilizzate sul foglio dati (datasheet) anche se, per capirne il funzionamento, prima abbiamo collegato il BJT a base comune, (intendendo comune il terminale condiviso del circuito d'ingresso e d'uscita). La Ic è funzione di Vce ma anche delle variabili del circuito d'ingresso che nel caso di emettitore comune sono Ib e Vbe. Quest'ultima come abbiamo visto conta poco mentre è determinante Ib. Ecco perché per realizzare un grafico cartesiano in due dimensioni le caratteristiche di uscita vengono disegnate a Ib costante (le curve si dicono anche parametriche). Le caratteristiche di uscita sono pertanto una famiglia di curve ognuna delle quali caratterizzata dal parametro Ib = costante. Naturalmente i costruttori di BJT ne indicano solo alcune (spesso ad intervalli regolari di Ib). La zona di funzionamento lineare teorica è caratterizzata da tanti segmenti paralleli all'asse delle ascisse a Ib costante dato che Vce non sembra influenzare il valore di Ic. In verità un'indagine più approfondita porta ad una modifica di questo affermazione. Infatti sappiamo che Vce = Vcb + Vbe. All'aumentare della Vce la Vbe cambia di poco visto che è la tensione ai capi di Je polarizzata direttamente. Vcb invece è ai capi di Jc polarizzata inversamente. In una giunzione polarizzata inversamente la zona di svuotamento (depletion layer) non è costante ma si allarga in tutte due le zone e in maniera più accentuata nella zona meno drogata. Lo spessore elettrico della base si riduce rispetto a quello metallurgico (quello costruttivo) all'aumentare della Vce. Questo effetto Early (dal nome chi l'ha scoperto) implica che all'aumentare della Vce la percentuale di portatori che vanno in collettore aumenti. Praticamente il guadagno h FE aumenta all'aumentare della Vce. Sulle caratteristiche di uscita l'effetto Early si nota dalla leggera pendenza verso l'alto dei segmenti in zona attiva. Se si esagera nell'incremento della Vce lo spessore elettrico della base praticamente scompare con un cortocircuito tra emettitore e collettore che può portare anche alla distruzione del dispositivo. Questo comportamento è noto come punch through e va chiaramente evitato. Tuttavia c'è talvolta la necessità di far lavorare il BJT in zona lineare con tensioni Vce elevate. Si interviene in questo caso sul drogaggio del collettore. Drogandolo meno della base infatti a parità di Vce si

4 riduce l'effetto Early e quindi si allontana anche il problema del punch trough. Vedremo più avanti quando parleremo della regione di saturazione che sarà necessaria un'altra modifica nel drogaggio del collettore quanto meno per i transistori che dovranno lavorare prevalentemente in questa zona. Funzionamento in zona di saturazione In questa zona di funzionamento le due giunzioni Je e Jc sono entrambe polarizzate direttamente: Come in regione attiva i portatori maggioritari (elettroni) passano dall'emettitore in base. Stavolta però c'è anche un flusso analogo a questo che dal collettore entra in base (con verso opposto quindi). Il drogaggio differenziato delle varie zone fa si che la corrente complessiva sia ancora nel verso da E a C. La base è sottoposta ad un'iniezione di portatori in eccesso da ambo i lati. La corrente di collettore a parità di quella di base è perciò inferiore a quella che circolerebbe in zona attiva. Questa affermazione si traduce nella diseguaglianza: Ib Ic h FE Questa espressione è anche usata per imporre la saturazione di un BJT. Purtroppo è molto difficile ottenere, con processi industriali convenienti, transistori con caratteristiche pressoché identiche (questo aspetto negativo prende il nome di dispersione delle caratteristiche con variazioni attorno al 30% tra BJT con la stessa ) al guadagno h FE si sostituisce h FEmin cioè il valore di guadagno di corrente che il produttore ha verificato essere il minore che il componente possa avere (questo valore assieme a quello tipico e a quello massimo sono spesso ottenuti dal databook del dispositivo). Un'altra caratteristica di questa zona di funzionamento è la bassissima tensione tra collettore ed emettitore. La Vce infatti assume tipicamente valori di circa 0,2 V e tende a salire all'aumentare della Ic rimanendo comunque in prossimità di 0 V. Il BJT in questa zona di funzionamento si comporta praticamente come un interruttore statico chiuso. Un interruttore ideale chiuso infatti ai suoi capi ha tensione nulla e si lascia attraversare da una corrente imposta dagli altri elementi circuitali a cui è connesso. Il BJT però è un interruttore unidirezionale, si lascia attraversare dalla corrente Ic diretta da C ad E e non viceversa. L'interruttore si dice statico perché la sua chiusura è

5 determinata dal rispetto della diseguaglianza vista prima e non da un'azione meccanica tipica degli interruttore tradizionale. Naturalmente vale sempre l'equazione fondamentale del BJT: Ie = Ic + Ib. Sulle caratteristiche di uscita la zona di saturazione si individua nella fascia verticale in prossimità dell'asse delle ordinate. Il legame tra Ic e Vce è quasi ohmico (non per tutti i tipi di BJT) e termina quando le curve si raccordano con la zona di saturazione. Questa zona di confine si chiama ginocchio delle caratteristiche. Affinché un BJT saturo si avvicini ad un interruttore ideale la Vce deve essere prossima a 0. Con l'aumentare della Ic è necessario pertanto che la regione di collettore abbia resistenza piccola. Abbiamo però visto che per ridurre la possibilità dell'insorgere del punch through il collettore dovrebbe avere un drogaggio basso rispetto alla base (quindi resistenza più alta). Per conciliare queste esigenze opposte nei BJT utilizzati principalmente come interruttori (switch) il collettore ha un drogaggio differenziato: basso in prossimità della Jc ed elevato nella parte restante. Funzionamento in zona di interdizione In questa zona di funzionamento le due giunzioni sono entrambe polarizzate inversamente: Le correnti che circolano sono pertanto solo quelle legate ai portatori minoritari. Se immaginiamo di aprire il circuito di emettitore circolerà soltanto la Icbo tra C e B. Se invece apriamo il circuito di collettore circolerà soltanto la corrente Iebo tra E e B. Infine se apriamo il circuito in base circolerà la corrente Iceo. Senza terminali aperti le correnti in gioco sono simili a quelle indicate. Queste correnti, dette talvolta di dispersione, sono molto piccole e dipendono fortemente dalla temperatura. Un BJT polarizzato in questa zona, tra C ed E, è simile ad un interruttore aperto. Infatti in un interruttore aperto ideale la corrente è nulla e la tensione ai capi dipende dagli altri elementi circuitali. Perciò un BJT sarà un buon interruttore aperto se la corrente Iceo potrà essere considerata trascurabile. Sulle caratteristiche di uscita la zona di interdizione è quella orizzontale prossima all'asse delle ordinate. Il BJT utilizzato alternativamente come interruttore chiuso (saturo) e aperto (interdetto) si dice che lavora in commutazione (ON-OFF o switching). In questo caso la regione di mezzo quella attiva è solo una zona di transito tra questi due stati. Praticamente tutta l'elettronica digitale bipolare si basa sul funzionamento in commutazione del BJT. Tanto più il passaggio tra una zona e l'altra è

6 veloce tanto più si possono ottenere apparati funzionanti a frequenze elevate. Le zone di funzionamento inverse Se osserviamo la struttura del BJT è facile accorgersi che, a parte il drogaggio, se scambiamo il ruolo dell'emettitore con il collettore si ottiene comunque un componente con funzionamento analogo. Ci sono pertanto altre tre zone di funzionamento dette inverse da analizzare. In verità la zona di interdizione inversa è identica a quella diretta e non aggiungeremo nulla a quello già scritto e la zona di saturazione inversa non viene utilizzata. Tratteremo invece la zona attiva inversa che è sfruttata nella famiglia logica TTL. In questo caso si polarizza direttamente la Jc ed inversamente la Je. Il funzionamento è simile al precedente con l'importante differenza che il drogaggio non ottimizzato delle zone determina un guadagno h FErev basso (molti portatori si ricombinano in base anziché passare in emettitore).