IL TRANSISTOR BIPOLARE (BJT)

IL TRANSISTOR BIPOLARE (BJT) 1 - Introduzone La parola transstor è la contrazone d transfer resstor (resstenza d trasfermento), e tende a sottolneare come questo dspostvo s dmostr n grado d trasferre una varazone d corrente da una resstenza bassa ad una d valore pù elevato, rcavandone un amplfcazone d tensone. Esstono due tp d transstor, quell bpolar e quell ad effetto d campo. In questo captolo c soffermeremo sul BJT (bpolar juncton transstor). L aggettvo bpolare evdenza un processo d conduzone che convolge contemporaneamente portator maggortar e mnortar. I prm BJT commercalzzat nel 1951 erano dspostv a germano, presto soppantat da transstor al slco, avent temperatura massma d lavoro notevolmente pù elevata. Con l avvento delle tecnche d ntegrazone l BJT ha perso progressvamente mportanza come componente dscreto, dventando però l componente base d crcut ntegrat bpolar, sa logc (TTL, ECL, ecc.) che analogc (amplfcator operazonal, ecc.). Vene tuttava largamente utlzzato n alta frequenza e nell elettronca d potenza. 2 - Struttura e prncpo d funzonamento. Tre regon adacent d semconduttore drogate alternatvamente d tpo p e d tpo n costtuscono, sotto certe condzon, un transstor BJT. Questa struttura è rappresentata n forma schematca n fg. 1 nelle due possbl verson: pnp e npn, con smbol grafc corrspondent. La parte centrale vene chamata base e le due zone lateral emetttore e collettore. Il dspostvo presenta dunque due gunzon, base-emetttore e base-collettore, che ndcheremo n seguto rspettvamente con J E e J C. La smmetra de modell d fg. 1 è convenzonale; n realtà le gunzon J E e J C hanno aree dverse, come rsulta pure dversa l ntenstà del drogaggo dell emetttore e del collettore. Ne consegue che termnal E e C non sono ntercambabl e vengono espressamente ndcat dal costruttore. Il verso della frecca nel smbolo è quello della corrente d J E nel caso n cu la gunzone sa polarzzata drettamente. Due partcolartà costruttve sono veramente essenzal per l funzonamento del BJT: la regone d base deve essere molto sottle (poch µm); la stessa regone deve essere poco drogata rspetto a quella d emetttore. FIG. 1 - MODELLO FISICO E SIMBOLO GRAFICO DEI TRANSISTORI BIPOLARI NPN E PNP. Il BJT può lavorare come dspostvo lneare (amplfcatore d segnal) o come dspostvo a due stat, ON-OFF (nterruttore elettronco). Nel funzonamento lneare la corretta polarzzazone delle gunzon prevede J E polarzzata drettamente e J C polarzzata nversamente (fg. 2). 1

FIG. 2 - POLARIZZAZIONE DI UN BJT NPN. La fg. 3 llustra l processo d conduzone all nterno d un transstore npn evdenzando le vare component della corrente. La polarzzazone dretta d J E dà luogo ad una corrente dovuta prevalentemente agl elettron lber che dall emetttore s drgono verso la base (I ne ) e, n msura alquanto mnore per l debole drogaggo della base, da lacune che da B vanno verso E (I pe ). Gunt nella base, gl elettron lber hanno poche probabltà d rcombnars con le lacune relatvamente scarse e, vsta la sottglezza della regone, arrvano rapdamente nelle vcnanze d J C, che attraversano sotto l effetto del campo elettrco favorevole (I nc ). A ttolo ndcatvo s può pensare che un solo elettrone su cento s rcombn nella base. Le rcombnazon danno luogo alla componente I ne - I nc, mentre gl elettron che hanno proseguto l loro cammno attraverso J C, danno orgne alla componente prncpale I nc d I C I E. Con I 0 è stata ndcata la corrente nversa d saturazone d J C, dovuta a portator mnortar. S not l verso delle corrent, convenzonalmente contraro a quello degl elettron. Naturalmente nel caso d transstor pnp le consderazon saranno analoghe, con la dfferenza che avremo corrent d verso opposto e andrà nvertto l ruolo d elettron e lacune. FIG. 3 - PROCESSO DI CONDUZIONE ALL INTERNO DI UN BJT NPN IN FUNZIONAMENTO LINEARE. 3 - Equazon e parametr fondamental. Con rfermento alla fg. 4 s ha, per l prmo prncpo d Krchhoff, (3.1) I E = I C + I B Se l transstor è correttamente polarzzato, ed è qund valda l anals delle corrent esposta nel par. 2, s ha: (3.2) I C = α I E + I CB0 che, trascurando I CB0 (corrente d saturazone nversa), dventa (3.3) I C = α I E 2

dove α è l amplfcazone statca d corrente a base comune e α I E rappresenta la frazone della I E che vene drottata dal crcuto BE a quello BC. FIG. 4 - MONTAGGIO CIRCUITALE PER LA VERIFICA DELLE EQUAZIONI DI FUNZIONAMENTO DI UN BJT. Dato che I E = I C /α, sosttuendo talle espressone nella (3.1) s ha I C /α = I C + I B dalla quale s ottene α (3.4) IC = IB = βi B 1 α dove ß, avendo tracurato I CB0, concde con l parametro ndcato da costruttor h FE, guadagno d corrente n contnua. Valor tpc sono α = 0,99 e ß = 100. 4 - Caratterstche statche ad emetttore comune. FIG. 5 - CONFIGURAZIONE CIRCUITALE AD EMETTITORE COMUNE. In fg. 5 la gunzone BE è polarzzata drettamente. Se V CC, e qund V CE, sono abbastanza grand V CB = V CE - V BE sarà postva, ossa avrà la polartà ndcata n fgura (gunzone BC polarzzata nversamente). 4.1 - Caratterstca d ngresso. Rappresenta l andamento d I B al varare d V BE. Tale andamento rsulta n pratca ndpendente da V CE. La caratterstca, rportata n fg. 6A, è n tutto smle a quella d un dodo. In pratca se la gunzone BE è n conduzone possamo assumere V BE costante, par a crca 0,7 V. 3

A B FIG. 6 - CARATTERISTICA DI INGRESSO (A) E CARATTERISTICHE DI USCITA (B) DI UN TRANSISTOR AD EMETTITORE COMUNE. 4.2 - Caratterstche d uscta. Saturazone e nterdzone. Le caratterstche d uscta rappresentano l andamento d I C al varare d V CE per valor costant d I B e fanno rfermento al crcuto d fg. 5. Ponamo d avere un transstor per l quale h FE = 100. Possamo regolare V BB n manera tale da avere, ad es., I B = 40 µa e I C = h FE I B = 4 ma. Ammettamo d aver regolato V CC n modo tale da avere, ad es., V CE = 4 V (punto A n fg. 6B). Se ora aumentamo V CC aumenterà V CE ma avremo sempre I C = 4 ma dato che la corrente I C è fssata dalla corrente I B (c spostamo a destra d A). Dmnuendo V CC e qund V CE c sposteremo a snstra d A. Avremo ancora I C = 4 ma fnché l valore troppo basso d V CE non farà s che la gunzone BC non sarà pù polarzzata nversamente. Da questo punto, n cu nza la zona d saturazone, non s avrà pù I C = h FE I B e dmnuendo ulterormente V CE anche la corrente I C comncerà a scendere fno al punto n cu avrà V CE = 0 e I C = 0. Rpetendo le medesme operazon, avendo prma dmnuto V BB n modo tale da avere ad es. I B = 20 µa, s avrà una curva smle alla prma ma con I C = h FE I B = 2 ma nel tratto al d fuor della zona d saturazone. Dmnuendo ulterormente V BB ad un certo punto s avrà che la gunzone BE non sarà pù n conduzone e s avrà I B = 0 e I C 0 (zona d nterdzone). Rassumendo, s hanno le seguent tre stuazon: gunz. BE gunz. BC I C = h FE I B Zona lneare pol. drettam. pol. nversam. SI (n conduz.) Saturazone pol. drettam. pol. drettam. NO (n conduz.) Interdzone pol nversam. pol nversam. NO (non conduce) (I B = 0, I C 0) E necessaro osservare che I C non s mantene perfettamente costante, ma aumenta leggermente all aumentare d V CE. Tale varazone può essere spegata n questo modo: l aumento d V CE e 4

qund della polarzzazone nversa della gunzone BC, provoca l estensone della zona d svuotamento all nterno della base; la larghezza della base, utle per le rcombnazon, rsulta d fatto rdotta e ne consegue un aumento d I C (effetto Early). 5 - Polarzzazone del BJT. Punto d funzonamento a rposo. L amplfcazone de segnal rchede l funzonamento del BJT n zona attva o lneare. Questo s ottene medante una opportuna rete d polarzzazone che mpone al BJT ben precs valor d tenson e corrent. Tal valor defnscono l punto d funzonamento a rposo Q, ndvduato sul pano delle caratterstche d uscta da valor V CEQ e I CQ. Una rete spesso utlzzata è quella n fg. 7 detta rete d polarzzazone automatca a parttore n quanto stablzza automatcamente l punto Q al varare de parametr del transstor per motv termc o tecnologc. FIG. 7 - RETE DI POLARIZZAZIONE AUTOMATICA A PARTITORE. 6 - BJT come amplfcatore d pccol segnal d bassa frequenza. FIG. 8 - AMPLIFICAZIONE DI PICCOLI SEGNALI AD EMETTITORE COMUNE. Prma d tutto va specfcato cosa s ntende per pccol segnal d bassa frequenza: per pccol segnal s ntendono segnal che non portno l BJT al d fuor della zona lneare, e per basse frequenze s ntendono frequenze per le qual sano trascurabl gl effett capactv delle gunzon (fno a qualche decna d khz o pù a seconda del tpo d transstor). Nella magla d ngresso n fg. 8 è stata nserta una sorgente d segnale snusodale v s. Il funzonamento è ora dnamcoe alle tenson e corrent determnate dalla rete d polarzzazone (valor statc) s sommeranno delle varazon delle tenson e delle corrent dovute alla presenza d v s (valor dnamc). 5

Partcolare attenzone va posta nelle notazon, che seguono le regole della seguente tabella: lettera pedce esempo grandezze statche MAIUSC. MAIUSC. I CQ (determn. dalla pol..) grandezze dnamche mnusc. mnusc. c (determn. dal segn.) valor stantane mnusc. MAIUSC. C (gr.stat.+gr.dn.) val. effcac delle MAIUSC. mnusc. I c grandezze dnamche Per comprendere l sgnfcato delle vare grandezze possono essere d auto grafc n fg. 9. FIG. 9 - GRANDEZZE STATICHE E DINAMICHE. Nel crcuto d fg. 8 B sarà la somma d una componente contnua e d una snusodale; lo stesso dcas per C (ved grafc). D conseguenza sul pano delle caratterstche d uscta l punto d lavoro oscllerà ntorno al punto Q spostandos verso l alto o verso l basso. Al varare d C, la tensone v CE varerà secondo l equazone alla magla d uscta (6.1) v CE = V CC - R C C FIG. 10 - PROCESSO DI AMPLIFICAZIONE NEL PIANO DELLE CARATTERISTICHE DI USCITA. 6

E questa l equazone della retta d carco, sulla quale s sposterà l punto d lavoro (ved fg. 10). Tale retta nterseca gl ass ne seguent punt: per C = 0 v CE = V CC, per v CE = 0 C = V CC /R C. E evdente che per consentre alla C la massma escursone dal punto Q senza raggungere le zone d saturazone e d nterdzone quest ultmo dovrà essere l pù possble centrato rspetto a tal zone (V CEQ = V CC /2). Per quanto rguarda l processo d amplfcazone bast osservare che la corrente dnamca c segue l andamento della corrente dnamca b, ma rsulta d ampezza notevolmente superore rspetto a quest ultma (ad es. 100 volte pù grande). Tale corrente attraversa la resstenza R C nducendo n essa varazon d tensone proporzonal a v s ma d ampezza notevolmente maggore. 7 - Dstorsone della forma d onda per saturazone o nterdzone. Per varazon negatve troppo ampe d v s rspetto a V BB la tensone v BE può scendere al d sotto del valore d sogla con conseguente azzeramento della B fno all stante n cu l BJT non esce dalla stuazone d nterdzone a causa della rsalta d v BE. Tutto cò determna un taglo nella zona nferore della forma d onda d B e conseguentemente anche d C. Varazon postve d v s troppo ampe determnano altresì ampe varazon postve d B, ma la corrente C non potrà segure tal varazon perché raggungerà un valore talmente alto da portare l BJT n saturazone. Fnché l BJT sarà n saturazone C assumerà un valore costante con conseguente taglo nella zona superore della forma d onda. Tale stuazone è vsualzzata ne grafc d fg. 11 n cu s è assunto h FE = 100. FIG. 11 - FORME D ONDA DELLE CORRENTI IN CASO DI DISTORSIONE PER SATURAZIONE E INTERDIZIO- NE. Da notare che se le varazon della grandezza d uscta sono n controfase con v s e qund con b (ved ad es. v o nel caso dell amplfcatore CE) sarà nvertta la poszone de tagl per nterdzone e saturazone. 8 - Amplfcatore ad emetttore comune (CE) Il BJT, opportunamente polarzzato, vene nserto tra una sorgente d segnale v s, con resstenza nterna R s, ed un utlzzatore, caratterzzato dalla sua resstenza R L. 7

A B FIG. 12 - CIRCUITO COMPLETO DI UNO STADIO AMPLIFICATORE AD EMETTITORE COMUNE (A) E RELATI- VO CIRCUITO STATICO (B). In fg. 12A le capactà C a1 e C a2, dette d accoppamento, avendo reattanza nfnta per f = 0, hanno l compto d evtare che la sorgente e l carco sano percors dalla corrente contnua presente nella rete d polarzzazone, la qual cosa oltre ad essere n molt cas dannosa, farebbe dpendere l poszonamento del punto Q da R s e R L (se ad es. non c fosse C a1 la resstenza tra base e massa dventerebbe R 2 //R s ). La capactà C E, detta d by-pass, ha la funzone d cortocrcutare, nel crcuto dnamco, la resstenza R E. 8.1 - Crcuto statco. E l crcuto n contnua, e s ottene da quello d fg. 12A consderando crcut apert (reattanza nfnta) le capactà. S pervene così, elmnando ram non percors da corrente, al crcuto rappresentato n fg. 12B. 8.2 - Crcuto dnamco. E l crcuto per le varazon rspetto alla stuazone d rposo e rguarda qund esclusvamente l segnale. Vene rcavato da quello d fg. 12A cortocrcutando C a1, C a2 e C E, che devono essere d valore suffcentemente elevato da rendere trascurable la loro reattanza X C = 1/(2πfC) alle frequenze d lavoro, e non consderando la f.e.m. contnua d almentazone, che non ntroduce varazon. E evdente che del generatore d tensone contnua porteremo a zero la f.e.m. ma contnueremo a consderare la resstenza nterna, che possamo assumere uguale a zero. Ne rsulta che l crcuto dnamco s otterrà s otterrà portando l punto n cu s ha +V CC a massa (ved fg. 13). FIG. 13 - CORTOCIRCUITAZIONE DEL GENERATORE DI TENSIONE CONTINUA. S ottene qund l crcuto d fg. 14A, dal quale s passa a quello n fg. 14B consderando che R E è posta n parallelo ad un cortocrcuto e non essendo attraversata da corrente s può elmnare, R C è posta n parallelo a R L (sono poste entrambe tra collettore e massa) e R 1 è posta n parallelo a R 2 (tra base e massa). 8

A B FIG. 14 - CIRCUITO DINAMICO DELL AMPLIFICATORE DI FIG.12A (A) E RAPRESENTAZIONE EQUIVALENTE (B). 9 - Modello semplfcato del BJT a parametr brd Nel crcuto dnamco e n zona lneare l BJT può essere sosttuto con un crcuto equvalente pù o meno approssmato. Il modello semplfcato d fg. 15 ntroduce delle approssmazon accettabl nella maggor parte de cas pratc spece se confrontate con la dspersone de parametr del BJT (ne fogl tecnc sono ndcat valor mnm e massm spesso notevolmente dvers tra d loro). FIG. 15 - MODELLO SEMPLIFICATO DEL BJT A PARAMETRI IBRIDI. Le approssmazon ntrodotte sono le seguent: s consdera la caratterstca d ngresso ndpendente dalle grandezze d uscta; s consdera c ndpendente da v ce (caratterstche d uscta orzzontal). Il parametro h e rappresenta la resstenza dnamca della gunzone BE (ved fg. 16A: h e = v BE / B ), d valore tpco 1 kω; h fe rappresenta l guadagno d corrente dnamco (ved fg. 16B: h fe = C / B ) ed ha n generale un valore dverso da h FE, anche se l ordne d grandezza è lo stesso. A B FIG. 16 - DETERMINAZIONE GRAFICA DEL PARAMETRO h e (A) E DEL PARAMETRO h fe (B). 9

10 - Studo del crcuto dnamco dell amplfcatore CE Sosttuendo al BJT l modello semplfcato nel crcuto d fg.14b s ottene l crcuto d fg.17, n cu s nota che crcut d ngresso e d uscta sono separat, anche se le grandezze d uscta dpendono ovvamente dalle grandezze d ngresso, data la presenza del generatore d corrente dpendente d valore h fe b. FIG. 17 - CIRCUITO DINAMICO EQUIVALENTE DELL AMPLIFICATORE CE. - Amplfcazone d corrente del transstor. A h o fe b = = = hfe (segno meno: o e b sono n controfase) b b - Resstenza d ngresso dello stado amplfcatore. E la resstenza vsta da termnal della sorgente: R = R B //h e - Amplfcazone d tensone del transstor. A V v R R h R R o o( c // L) fe c L = = = ( // ) v h h b e e (segno meno: v o e v n controfase) - Amplfcazone d tensone complessva. In fg.18 è rappresentato l crcuto equvalente d ngresso. S ha: v = v s R R + R s per cu è opportuno che sa R >> R s n modo tale da avere v << v s. Per R B > h e s avrà R dell ordne d grandezza d h e (e qund del kω). L adattamento tra sorgente e amplfcatore sarà accettable per valor d R s nferor d un ordne d grandezza. S ha: A Vt vo vo v = = = A v v v s s V R R + R s FIG. 18 - CIRCUITO EQUIVALENTE PER IL CALCOLO DELL ATTENUAZIONE DI INGRESSO. 10

- Resstenza d uscta dello stado amplfcatore. E la resstenza vsta da termnal del carco R L : R o = R C 11 - Propretà delle confgurazon fondamental FIG. 19 - TABELLA RIASSUNTIVA DELLE PROPRIETÀ DELLE CONFIGURAZIONI FONDAMENTALI. L amplfcatore a collettore comune ha un guadagno d tensone A v 1, l che gustfca l appellatvo d emtter follower (nsegutore d emetttore) dato a tale confgurazone poché v o nsegue v. Avendo una resstenza d ngresso molto elevata e una resstenza d uscta molto bassa l crcuto a collettore comune vene abtualmente usato come stado separatore (adattatore d mpedenza) o buffer nterposto tra una sorgente con elevata R s e un carco R L basso. L amplfcatore a base comune amplfca n tensone ma avendo una resstenza d ngresso bassa (non supera le poche decne d ) pone l problema dell adattamento con la sorgente. Vene sfruttato per crcut partcolar n cu s rchede una resstenza d uscta pù elevata d quella dell amplfcatore CE. 12 - BJT come nterruttore. Temp d commutazone Il BJT vene spesso utlzzato come nterruttore (swtchng transstor) adatto a d attvare o dsattvare crcut, trasduttor, motor, ecc. In tuutte queste applcazon l funzonamento è legato a due partcolar stat del BJT: quello d saturazone (ON) e quello d nterdzone (OFF). Notevole mportanza assumono, noltre, temp mpegat dal dspostvo per l passaggo da uno stato all altro. Appare charo come l BJT, vsto dalla magla collettore-emetttore, possa essere consderato un nterruttore controllato dalla corrente d base, e qund dalla tensone presente nella magla baseemetttore. Infatt, quando l transstor s trova n saturazone (ON), vsto da termnal C-E, rsulta n buona approssmazone un corto crcuto (V CE 0); quando s tova n nterdzone (OFF), sempre vsto da termnal C-E, rsulta n buona approssmazone un crcuto aperto (I C 0). In quest due stat la potenza dsspata dal dspostvo è pertanto pccola e d molto nferore a quella che, come nterruttore, è n grado d controllare. Esamnamo ora l comportamento del BJT d fg. 20 sottoposto ad un onda quadra d lvell mnmo e massmo rspettvamente V 1 e V 2. Per v = V 1 l BJT è OFF, n quanto la gunzone BE rsulta polarzzata nversamente, e qund l transstor è n nterdzone. Per v = V 2 l BJT è ON, n quanto supponamo che V 2, e qund B, sano abbastanza elevate da portare l transstor n stato d saturazone. Idealmente s vorrebbe che la transzone da uno stato all altro avvensse n tempo nullo e senza rtard. In realtà le forme d onda sono quelle rportate n fg. 21 che evdenza le dverse fas del processo d commutazone OFF -> ON e vceversa. 11

FIG. 20 - BJT IN FUNZIONAMENTO ON-OFF. FIG 21 - FORME D ONDA RELATIVE AL PROCESSO DI COMMUTAZIONE DI UN BJT. Tempo d rtardo (delay tme, t d ). E l tempo rchesto al BJT affnché C raggunga l 10% del suo valore fnale I C(sat) V CC /R C. Tempo d salta (rse tme, t r ). E l tempo che mpega c a passare dal 10% al 90% del suo valore fnale I C(sat). Tempo d mmagazznamento (storage mtme, t s ). E l tempo che mpega c a passare al 90% del valore I C(sat). Tempo d dscesa (fall tme, t f ). E l tempo che mpega c a passare dal 90% a 10% del valore I C(sat). A volte costruttor s lmtano ad ndcare l tempo d commutazone dretta t on = t d + t r (turnon tme) e quello d commutazone nversa t off = t s + t f (turn-off tme). 12