IL TRANSISTOR BJT A differenza del diodo, il transistor è un dispositivo a doppia giunzione, formato da un cristallo di silicio su cui vengono modificate tre distinte zone con impurità del 3 e 5 gruppo. A secondo del tipo di impurità si avranno transistor NPN o PNP. In figura è rappresentato lo schema di un transistor di tipo NPN, in tale struttura la zona a sinistra rappresenta l Emettitore, la zona centrale rappresenta la Base, e la zona destra rappresenta il Collettore. E bene ricordare che nelle zone di tipo N i portatori maggioritari sono gli elettroni, mentre nella zona di tipo P i portatori maggioritari sono le lacune. In genere la zona di emettitore è fortemente drogata, la zona di base è debolmente drogata, mentre la zona di collettore ha un drogaggio intermedio rispetto alle precedenti. Fisicamente la zona di collettore ha estensione maggiore delle altre due e quella di base è quella che ha minore estensione. Si capisce come il transistor è formato dalle due giunzioni Emettitore- Base e Base-Collettore assimilabili a quelle di due diodi contrapposti. Il diodo inferiore Emettitore-Base viene chiamato diodo emettitore, mentre il diodo superiore Base-Collettore viene chiamato diodo collettore. In assenza di polarizzazione A seguito del drogaggio, inizia un processo di diffusione e gli elettroni diffondono dalla zona di emettitore verso la zona di base ricca di lacune; nella zona di base, parecchi elettroni si ricombinano con le lacune presenti, quindi, come nel diodo nasce una zona di svuotamentoe quindi una barriera di potenziale che vale circa 0,7 V per il silicio e 0,3 V per il germanio a 25 C. Allo stesso modo anche nella giunzione Base-Collettore, a causa del processo di diffusione dei portatori maggioritari, nasce una zona di svuotamento e quindi una barriera di potenziale di 0,7 V per il silicio. Possiamo quindi affermare che un transistor senza alcuna polarizzazione è come due diodi contrapposti con tensione di soglia pari a circa 0.7 V a temperatura ambiente. Polarizzazione del transistor Se si connettono i terminali EBC a sorgenti esterne di alimentazione, le giunzioni possono essere polarizzate entrambe direttamente, inversamente oppure una polarizzata direttamente e l altra inversamente; nei primi due casi il transistor funziona come un interruttore, mentre nel terzo caso il transistor funziona come un amplificatore di corrente.
Analizziamo il caso in cui la giunzione Emettitore-base è polarizzata direttamente mentre quella base-collettore è polarizzata inversamente. Nella seguente figura, si nota come la zona di emettitore è ricca di elettroni liberi, la funzione dell emettitore è quella di iniettare elettroni liberi verso la base, e tale processo è facilitato dalla polarizzazione diretta tra emettitore e base, e dal fatto che la zona di emettitore è fortemente drogata. La base che è leggermente drogata ha una funzione ben precisa che è quella di far passare la maggior parte degli elettroni iniettati dall emettitore, verso il collettore, infatti essendo leggermente drogata, gli elettroni che si ricombinano con le lacune sono solo una parte di quelli iniettati. Nel drogaggio, per aumentare il tempo di vita media degli elettroni liberi iniettati dall emettitore. si fa in modo che la larghezza di base sia minore della lunghezza di diffusione, Gli elettroni che raggiungono la zona di collettore sono accelerati dal campo elettrico che si viene a creare nella giunzione (PN) base-collettore, e quindi il collettore ha la funzione di raccogliere gli elettroni iniettati dall emettitore attraverso la base, in realtà una parte degli elettroni iniettati nella base, vengono raccolti dal morsetto positivo del generatore passando attraverso la resistenza di base R B. In ogni caso la maggior parte degli elettroni iniettati nella base, vengono raccolti dal collettore sia per il debole drogaggio che allunga, appunto il tempo di vita media degli elettroni nella zona di base, consentendo loro di raggiungere il collettore, sia perché la zona di base è molto stretta accorciando in tal modo il percorso degli elettroni verso il collettore. Affinché gli elettroni dell emettitore possano essere iniettati nella base del transistor, è necessario che la tensione di polarizzazione sia maggiore della barriera di potenziale base-emettitore, quindi deve essere In queste condizioni, quasi tutti gli elettroni vengono raccolti dal collettore e circolano attraverso la resistenza R C verso il morsetto positivo della tensione di polarizzazione inversa della giunzione base-collettore. In figura è rappresentato un transistor NPN con i versi convenzionali delle correnti che sono opposti al verso degli elettroni. Poiché l emettitore è quello che inietta elettroni, appare evidente che la corrente di emettitore è maggiore delle altre due correnti, inoltre poiché il collettore raccoglie quasi tutti gli elettroni iniettati dall emettitore si può dire che la corrente di collettore è quasi uguale alla corrente di emettitore, in genere la corrente di base è 1% della corrente di emettitore. Correnti nel BJT Analizzando il BJT con il principio di kirchhoff si ha
1 Indicando con scrivere: la frazione di corrente di emettitore raccolta dal collettore, possiamo 2 Dove I CBO rappresenta la corrente inversa di saturazione della giunzione base collettore. In genere è maggiore di 0,99 per transistor di piccola potenza e maggiore di 0,95 per transistor di alta potenza. Sostituendo la 1) nella 2) si ha: Da quest ultima si ricava: 1 1 1 3 Indicando con il guadagno di corrente del transistor, dalla (3) si ricava l equazione fondamentale del transistor: 1 4 Per transistor di piccola potenza varia da 100 a oltre 300, mentre per transistor di alta potenza i valori di vanno da 20 a 100. Per valori elevati di I c il termine ( +1)I CBO è trascurabile, mentre non lo è nel funzionamento come amplificatore e quando si vuole valutare la sua influenza al variare della temperatura, in quanto I CBO aumenta con essa. Quando trascuriamo il termine dovuto alla corrente inversa di saturazione possiamo esprimere la corrente di collettore sostituendo a il guadagno statico del transistor indicato con h FE : Utilizzata per calcolare la corrente di collettore quando si conosce il guadagno statico del transistor e la corrente di base. In alternativa si usa: Utilizzata quando si conosce la corrente di collettore e il guadagno statico per calcolare la corrente di base.
Con riferimento al circuito di figura, ipotizzando V BE =0.6 V si possono avere tre casi: Interdizione 0.6 In questo caso la corrente di base è nulla, il transistor è interdetto e si comporta come un circuito aperto. La tensione di uscita V 0 ovvero, la tensione tra collettore ed emettitore risulta: Zona attiva 0.6 0.2 In questo caso il transistor funziona come un amplificatore di tensione. Zona di saturazione 0.2 In zona di saturazione V CE =0.2V il transistor si comporta come un circuito chiuso e non è più controllato dalla corrente di base I B, le giunzioni saranno entrambe polarizzate direttamente e la corrente massima di collettore risulta: 0.2 Per fare lavorare un transistor in zona di saturazione basta imporre:
Tempi di commutazione I tempi di commutazione sono i tempi caratteristici di passaggio del transistor dallo stato OFF allo stato ON eviceversa. Si supponga di applicare alla base del transistor un segnale a due livelli che comportino rispettivamentel'interdizione e la saturazione del transistor. Nella transizione tra uno stato e l'altrola corrente di collettore si adegua al valore corretto in modo graduale. Si definiscono allora i seguenti tempicaratteristici, indicati anche nella figura accanto: tempo di ritardo (delay time, t d ) è il tempo necessario affinché la corrente di collettore raggiunga il10% del suo valore finale I Csat, misurato a partire dall'istante in cui viene dato il comando di saturazione. tempo di salita (rise time,t r ) è il tempo che impiega la corrente di collettore per passare dal 10% al 90% del suo valore finale. tempo di immagazzinamento (storagetime,t s ) è il tempo necessario affinché la corrente di collettore scenda al 90% del valore I Csat, misurato a partire dall'istante in cui viene dato il comando diinterdizione. Questo tempo è dovuto al fatto che durante la fase di piena conduzione, nella base sigenera un eccesso di portatori minoritari che devono essere smaltiti, prima che il transistor possatransitare verso la fase di interdizione. tempo di discesa (falltime,t f ) è il tempo che impiega la corrente di collettore per passare dal 90% al10% del valore I Csa, tempo totale di accensione o di commutazione diretta(turn-on time) tempo di spegnimento o di commutazione inversa (turn-off time)
Parametri dei BJT V CBO V CEO V BEO I CMAX I BMAX P d T J R thja f t Massima tensione tra base e collettore tenendo aperto l emettitore Massima tensione tra collettore ed emettitore tenendo aperta la base Massima tensione tra base ed emettitore tenendo aperto il collettore Massima corrente di collettore Massima corrente di base Massima potenza dissipabile Massima temperatura che può sopportare la giunzione Resistenza termica tra giunzione ed ambiente Guadagno di corrente statico Guadagno di corrente dinamico nella configurazione ad emettitore comune Frequenza di taglio del guadagno di corrente dinamico I parametri I BMAX, I CMAX e P d, se non superati, impediscono che le giunzioni possano raggiungere una temperatura troppo alta che danneggerebbe il BJT. La V ce massima, se non superata, impedisce il breakdown causato da effetto valanga o per effetto punch-through. Il primo si verifica quando la polarizzazione inversa raggiunge un valore per cui nella zona di carica spaziale vengono generati portatori di carica per cui la stessa si comporta come una zona a bassa resistività. Il secondo effetto si verifica quando la zona di svuotamento della giunzione B-C si allarga fino a toccarsi con la giunzione B-E provocando un forte aumento della corrente di collettore. Oltre ai precedenti parametri, i costruttori forniscono delle curve caratteristiche che riportano la variazione dei parametri in funzione degli altri o della temperatura. Configurazione del transistor A seconda di come vengono collegati i suoi terminali rispetto a quelli di ingresso e di uscita del circuito stesso, il transistor viene usato in 3 tipi diconfigurazioni: La configurazione ad emettitore comune prevede la base come terminale di ingresso e il collettore come uscita. La configurazione a collettore comune prevede la base come ingresso e l emettitore come uscita. La configurazione a base comune prevede l emettitore come ingresso e il collettore come uscita. Ognuna di queste configurazioni presenta particolari caratteristiche, favorevoli o sfavorevoli a seconda dell uso a cui sono destinati e quindi utilizzeremo quella richiesta dalle necessità specifiche di progettazione. Ogni circuito è caratterizzati dai seguenti parametri fondamentali:
l impedenza d ingresso Z i data dal rapporto tra tensione e corrente d ingresso; L impedenza d uscita Z u data dal rapporto tra tensione e corrente di uscita, Guadagno in tensione A v = V o /V i dato dal rapporto tra tensione di uscita e tensione d ingresso Guadagno in corrente A i = I o /I i dato dal rapporto tra corrente di uscita e corrente d ingresso Guadagno in potenza Le impedenze di ingresso e di uscita sono molto importanti al momento di interfacciare i vari stadi di un circuito, in quanto il trasferimento del segnale da uno stadio all altro risulta massimo quando la Z u dello stadio precedente è uguale alla Z i dello stadio successivo. Più la differenza tra le due impedenze aumenta, più si perde segnale nel trasferimento da uno stadio al successivo. Caratteristiche configurazione emettitore comune Il circuito ad emettitore comune è quello più utilizzato, in quanto presenta alti valori di guadagno in tensione e in corrente, e il più alto valore di guadagno in potenza. La differenza tra le impedenze d ingresso e di uscita non è troppo elevata il che facilita l interconnessione di più stadi in cascata, senza ricorrere a reti adattatrici di impedenze, semplificando non di poco il circuito. Un esempio sono i circuiti di amplificazione in cui ogni stadio si prende carico di amplificare solo di un certo tasso il livello del segnale di ingresso fino ad ottenere la potenza d uscita desiderata. Nella configurazione a base comune l'amplificazione non è notevole, inoltre tale configurazione presenta una bassa Z i e un alta Z u. Caratteristiche configurazione base comune In particolare in tale configurazione si ha un alto guadagno in tensione, mentre quello in corrente è inferiore all unità, ne consegue che anche il guadagno in potenza risulta piuttosto basso. Viene utilizzato ad alte frequenze dove le capacità parassite interne ad ogni transistor giocano un ruolo importante. L influenza della temperatura è minima in quanto così montato sopporta alte temperature. Nella configurazione a collettore comune l'amplificazione non è notevole, inoltre tale configurazione presenta un alta Z i e una bassa Z u, il che lo fa preferire come adattatore di Caratteristiche configurazione collettore comune
impedenza, passando sotto il nome di emitter follower. Tali circuiti si trovano negli stadi finali audio per permettere l accoppiamento del resto dell amplificatore all altoparlante la cui impedenza è notoriamente bassa. (Così facendo l impedenza d uscita e d ingresso grosso modo si equivalgono). La configurazione presenta un certo guadagno in corrente mentre quello in tensione è inferiore all unità, per cui anche il guadagno in potenza risulta essere piuttosto basso. Studio del transistor nella configurazione ad emettitore comune - EC La connessione ed emettitore comune è quella che viene maggiormente utilizzata nei circuiti elettronici, essa prevede la base come terminale di ingresso e il collettore come terminale di uscita. Nella configurazione ad emettitore comune i generatori di tensione sono connessi all emettitore direttamente a massa (ma possono essere connessi anche tramite una resistenza tra emettitore e massa). Il generatore V BB serve a polarizzare la base del BJT mentre la resistenza di base R b serve a limitare la corrente di base che controlla la corrente di collettore. Il generatore V CC polarizza inversamente la giunzione B-C, e il collettore, collegato con la resistenza R C al generatore V CC, si comporta come raccoglitore degli elettroni iniettati attraverso la base, dalla giunzione B-E polarizzata direttamente. Il circuito può studiarsi applicando la LKT alla maglia di ingresso e alla maglia di uscita. A causa delle correnti circolanti sia sulla maglia di ingresso che sulla maglia di uscita, sulle resistenze R B ed R C sia hanno delle cadute di tensione. Curve caratteristiche del transistor Il rilievo delle curve caratteristiche si può ottenere con il circuito seguente. La caratteristica di ingresso esprime il legame fra I B e V BE ; mentre quella di uscita esprime il legame tra I C e V CE.
Curva caratteristica di ingresso Analizzando la giunzione B-E, essendo essa stessa un diodo, possiamo pensare che la dipendenza della I B dalla tensione V BE è proprio simile a quella del diodo, per cui si possono fare le stesse approssimazioni dei tre modelli del diodo a giunzione, Applicando la LKT alla maglia di ingresso abbiamo: Se ipotizziamo di usare il modello del diodo ideale, dobbiamo imporre V BE =0V, ma da adesso noi utilizzeremo il modello per cui V BE =0,7V. Pertanto la caratteristica d ingresso del BJT è quella di figura. Si può notare, che essa è identica alla caratteristica di polarizzazione diretta del diodo. Ciò non ci deve sorprendere, perché, se polarizziamo soltanto la giunzione base-emettitore, con una batteria ci troviamo, in fondo, di fronte alla struttura di un diodo. Effetto Early Notiamo, però, una cosa strana nella seconda figura, infatti, invece di avere una sola caratteristica ne abbiamo diverse che dipendono dal valore della V CE. Il legame fra I B e V BE dunque, non è sempre identico ma dipende da quale valore assume la V CE. Potrebbe sembrare strano che una grandezza di uscita influenzi a sua volta l ingresso. Si tratta di un fenomeno detto retroazione in cui la grandezza che abbiamo individuato come uscita del sistema influenza il sistema come se fosse un ulteriore ingresso. Nel nostro caso la retroazione è causata dall effetto Early. Con riferimento ad un BJT di tipo NPN, se aumentiamo il valore assoluto della tensione V CE, tenendo costante la V BE, aumenta il valore della tensione che polarizza la giunzione base-collettore. Tale giunzione è però polarizzata inversamente, il che vuol dire che presenta una zona di svuotamento. Quindi al crescere della V CE, cresce la zona di svuotamento nella base. Se cresce la zona di svuotamento diminuisce la ricombinazione nella base perché diminuisce la zona con lacune che deve essere attraversata dagli elettroni provenienti dall emettitore. Ciò comporta che il numero di lacune che devono accorrere nella base a sostituire quelli che si perdono per ricombinazione diminuiscono, per cui, in corrispondenza di uno stesso valore della V BE, la I B diminuisce in valore assoluto.
Applicando la LKT alla maglia di uscita si ha: Curve caratteristiche di uscita Ricordiamo che la Ic dipende dalla I B, quindi per variare V CE occorre variare la V CC. La caratteristica di uscita di un BJT, fissata la I B ha l andamento di figura. come si può vedere, anche in questo caso abbiamo tante caratteristiche diverse, quindi il legame fra la I C e la V CE non è sempre lo stesso ma dipende dalla corrente I B. Notiamo che, per valori della V CE di pochi millivolt, la corrente I C cresce molto rapidamente. Questa zona è detta zona di saturazione ed è caratterizzata, dunque, da aumenti molto gradi di corrente per piccole variazioni di tensione. Ciò vuol dire che, in questa zona, il BJT presenta una resistenza molto bassa. Abbiamo poi una zona in cui le caratteristiche diventano quasi orizzontali: ciò sta a significare che la corrente di collettore diventa indipendente dalla tensione ed il suo valore dipende solo dal valore della I B. Questa zona è detta zona lineare poiché qui vale il legame lineare fra I C e I B I h I Se facciamo diminuire la corrente di base a zero, anche la corrente di collettore si riduce a valori praticamente nulli. Questa zona è detta zona di interdizione e in questo caso si può dire che il BJT offre una resistenza molto elevata tanto da poter essere assimilato ad un circuito aperto. Dalla figura si vede anche, che quando V CE = 0, anche la corrente di collettore è zero, di fatto in questa situazione la giunzione B-C non risulta polarizzata inversamente e quindi il collettore non raccoglie gli elettroni iniettati dall emettitore nella base. La retta di carico Fissata la corrente di base, il transistor si trova a lavorare in un punto in cui i valori di I C e V CE sono stabiliti dalla resistenza di carico R C. Per trovare il punto di lavoro, basta tracciare la retta di carico nelle caratteristiche di uscita. Per tracciare la retta di carico si lavora sulla LKT nella maglia uscita: I due punti che ci permettono di tracciare la retta di carico, si trovano imponendo una volta I C =0 e una volta V CE =0.
0 0 Potenza dissipata Nel dimensionamento del transistor, dall equazione della maglia di uscita: si determina la tensione V CE, nota la quale possiamo calcolare la potenza dissipata dal transistor Questa deve essere sempre minore della P dmax riportata nei datasheets Poiché, come detto la potenza dissipata è data da si ricava per diversi valori della coppia V CE -I C un grafico che delimita la zona in cui il transistor non si danneggia, in particolare il punto di lavoro del transistor deve stare al di sotto della curva, e al limite il punto di lavoro deve essere tangente a detta curva. Quando il transistor deve funzionare come un amplificatore di segnale, oltre alle tensioni in DC necessarie alla polarizzazione e alla determinazione del punto di lavoro Q, nel morsetto di base è presente anche il segnale che si vuole amplificare. Se ad esempio il segnale che si vuole amplificare è di tipo sinusoidale, questo fa si che alla componente I B dovuta alla sorgente in DC per la polarizzazione si somma la componente dovuta alla sorgente di segnale. In un certo senso è come se la corrente di base varia da un valore minimo ad un valore massimo. In conseguenza della variazione della grandezza di ingresso è ovvio che il punto di lavoro sarà compreso in un intorno di Q, infatti variando la I B, fermo restando il valore della resistenza di carico e della V CC, cambia pure la I C e V CE. Pertanto, nel progettare il circuito, dovremo fare in modo che il transistor si trovi a funzionare all interno della sua zona sicura anche nelle condizioni più sfavorevoli ed in presenza della tensione istantanea più critica. Se ciò avverrà, il segnale di uscita risulterà la copia ingrandita di quello applicato all ingresso, viceversa sarà affetto da un certo tasso di distorsione.
Esercizio Calcolare il guadagno del transistor aiutandosi con un simulatore di circuiti. 9 0.09 100 Con il simulatore si misura la tensione V CE, quindi si calcola: E quindi si trova il guadagno: Posto che sia h FE =400, calcolare I B, I C e V CE. Utilizzo dei DATASHEET I transistor per piccoli segnali possono dissipare 1 Watt o meno, mentre i transistor di potenza possono dissipare decine e anche centinaia di Watt. Nei datashhet dei transistor si devono considerare i valori massimi di tensione, corrente ed altri parametri. Consideriamo il datasheet del transistor 2n2222. Valori massimi assoluti: V CBO = 75V massima tensione della giunzione base-collettore V CEO = 40V massima tensione collettore-emettitore V EBO = 6V massima tensione emettitore-base I C = 1A massima corrente di collettore T STG = -55 150 C intervallo di temperatura della giunzione Ovviamente in un corretto dimensionamento circuitale non devono mai superarsi i valori massimi in quanto si accorcerebbe la vita del transistor.
Valori massimi delle caratteristiche termiche: P D = 625 mw massima potenza a temperatura ambiente (conviene usare un fattore di sicurezza almeno pari a 2 (312.5 mw) P D = 5 mw/ C aumento di temperatura per oltre 25 C, per aumentare la potenza dissipabile si deve utilizzare un dissipatore. R JC =83.3 C/W resistenza termica giunzione-case R Ja =200 C/W resistenza termica case-ambiente