Dispositivi elettronici. Il transistor bipolare a giunzione (bjt( bjt)

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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 ) effetto di amplificazione (N >>N ) calcolo delle correnti ai tre terminali modelli equivalenti caratteristiche di uscita effetto arly struttura di un bjt moderno

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. L Giunzione polarizzata direttamente Lac. nj Giunzione polarizzata inversamente

12 ase stretta W << L, N = N Se la base del transistor è stretta, tutti gli elettroni (quasi) 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. È FFTTO TRANSSTOR

13 ase stretta W << L, N = N Tuttavia essendo N = N la corrente di base (lacune iniettate in emettitore) è dello stesso ordine di grandezza degli elettroni che, iniettati dall emettitore in base, raggiungono il collettore (sono uguali nel caso in cui W =L ). QUND: È FFTTO TRANSSTOR È POA AMPLFAZON

14 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

15 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

16 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

17 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)

18 Analisi semplificata n (emitter) p (base) n (collector) n n R p

19 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.

20 Analisi semplificata ( n ) n (emitter) p (base) n (collector) n (0) p (0) n T ( 0) n e n = 0 p 0 n (x) = X=0 A W qd dn dx p 0 ( x) n ( 0) = A x qd W

21 Analisi semplificata ( ) n (emitter) p (base) n (collector) p 0 p (0) X=0 n (0) W n n p 0 = = = i T e = n n A N qd W x n 2 NOTA: non ho considerato la R in quanto n >> R e quindi n n = - S e T

22 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

23 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 2 2 b W W D L τ =

24 Analisi semplificata ( ) β = D D N N W L W 2D τ b β=guadagno 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)

25 Funz. in zona ATTA DRTTA α α = β β + β α = α = β β + = β β + = + = 1 1 e 1 1 S T T T T S S S e e e β β α α = = = = = α=guadagno di corrente a base comune

26 Modello circuitale + v _ = β N ZONA ATTA DRTTA ( β ) = _ = β ( β ) = + 1

27 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

28 Modello circuitale N ZONA D SATURAZON _ Le correnti, e sono determinate dal circuito esterno = + < β

29 Funz. in NTRDZON Giunzione Giunzione ase-emettitore ase-collettore MODO nversa nversa SPNTO n (emitter) Giunzioni polarizzate inversamente p (base) n (collector) = 0 = 0 = 0 Trascurando la corrente di saturazione inversa

30 Modello circuitale N NTRDZON = 0 = 0 = 0

31 Funz. in ATTA NRSA Giunzione ase-emettitore nversa Giunzione ase-collettore Diretta MODO ATTA nversa n zona attiva inversa, c è ancora effetto transistor, ma c è poca amplificazione (anche < 1, vedremo dopo che il bjt non e simmetrico). Tale configurazione NON N MA USATA! n (emitter) Giunzione polarizzata inversamente p (base) n (collector) Giunzione polarizzata direttamente

32 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.

33 (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 ()

34 FFTTO ARLY n (emitter) p (base) n (collector) n (0) P (0) n p 0 W W p 0 (bassi valori di ) dn (x) n (0) n = AqD = AqD dx W n dipende dal gradiente di concentrazione di elettroni in base

35 FFTTO ARLY n (emitter) p (base) n (collector) n p (0) P (0) n p 0 p0 W W (elevati valori di )

36 FFTTO ARLY Aumentando, aumenta molto la tensione di polarizzazione inversa della giunzione, al contrario, la tensione polarizzazione diretta della giunzione rimane praticamente invariata a circa 0.7. Si ha quindi un allargamento della RS della giunzione che induce una diminuzione di W. Questo comporta due conseguenze principali: Aumento del gradiente di concentrazione di elettroni in base con il conseguente aumento di ( n ) Riduzione della corrente di ricombinazione in base. ntrambi questi effetti contribuiscono ad aumentare aumentando la tensione.

37 FFTTO ARLY: caratteristiche di uscita ad emettitore comune - A Tensione di arly (ma) ()

38 r 0 = Se T 1+ 1 = cost + = A A A - A Tensione di arly (ma) () r 0 ha importanti ripercussioni sul funzionamento del transistor come amplificatore

39 bjt ottimizzato Per ridurre l effetto arly si deve drogare meno il collettore rispetto alla base. n questo modo, la RS della giunzione si estenderà quasi completamente nel collettore riducendo così l effetto della modulazione di W. n definitiva, un buon transistor bipolare dovrà soddisfare alla seguente condizione: N >>N >N. l bjt non è quindi un dispositivo simmetrico. Domanda: osa succede invertendo l emettitore con il collettore?

40 bjt ottimizzato n (emitter) p (base) n (collector) n p (0) P (0) p 0 p0 W W (elevati valori di )

41 Limiti di tensione e corrente: Nella trattazione semplificata fatta, si è sempre trascurato la corrente della giunzione base collettore. iò è giustificato dal fatto che, in zona attiva diretta, tale giunzione è sempre polarizzata in inversa. isogna comunque evitare che tale giunzione raggiunga la tensione di rottura (breakdown) ponendo quindi un limite alla massima tensione applicabile al transistor. Una ulteriore limitazione, sulla massima tensione e corrente, è legata alla massima potenza dissipabile dal transistor. levate potenze dissipate danno luogo a fenomeni di autoriscaldamento non trascurabili, che possono portare alla distruzione del dispositivo stesso.

42 Struttura dei transistor attuali p n + n - n + n + Si-p bulk

43 Struttura dei transistor attuali r n - n + p n - n + mettitore base collettore subcollettore Serve a ridurre la resistenza di collettore. osa ci impedisce la realizzazione di una base molto sottile che avrebbe ottimi riscontri sia sul guadagno che sulla risposta in frequenza? Riducendo W: a) Aumenta la resistenza parassita di base; b) Aumenta il problema del punch-through.