Dispositivi elettronici

Il transistor bipolare Il transistor bipolare a giunzione (a giunzione (bjtbjt) )

Sommario

Il transistor bipolare a giunzione (bjt)come è fatto un bjtprincipi di funzionamento

(giunzione a base corta)effetto transistor (WB<<LB)effetto di amplificazione (NE>>NB)

calcolo delle correnti ai tre terminalimodelli equivalenticaratteristiche di uscitaeffetto Earlystruttura di un bjt moderno

npn – bjt(bipolar junction transistor)

tipo-nregione diEmettitore

(E)

tipo-nregione diCollettore

(C)

tipo-pregione di

Base(B)

WB

Emettitore Collettore

(E) (C)

Base(B)

GiunzioneBase-emettitore

(EBJ)

GiunzioneBase-collettore

(CBJ)

pnp – bjt(bipolar junction transistor)

tipo-pregione diEmettitore

(E)

tipo-pregione diCollettore

(C)

tipo-nregione di

Base(B)

WB

Emettitore Collettore

(E) (C)

Base(B)

GiunzioneBase-emettitore

(EBJ)

GiunzioneBase-collettore

(CBJ)

Transistor bipolare a giunzionemodi di funzionamento

ATTIVA DirettaInversaDiretta

SATURAZIONEDirettaDiretta

ATTIVA InversaDirettaInversa

SPENTOInversaInversa

MODOGiunzione

Base-collettore(CBJ)

GiunzioneBase-emettitore

(EBJ)

Transistor bipolare a giunzione

Il 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):

WB << LB

Drogaggio di emettitore molto maggiore del drogaggio di base (per avere amplificazione):

NE >> NB (> NC)

Transistor bipolare a giunzione

Principio di Funzionamento

(trascuriamo lo spessore delle RCS)

• Considero un bjt npn• In polarizzazione attiva diretta• Nel quale nonnon siano soddisfattesiano soddisfatte le due

condizioni precedentemente descritte.Sia quindi: WB >> LB, NE = NB

Transistor bipolare a giunzioneCosa succede se WB >> LB, NE = NB

n (emitter) p (base) n (collector) ICIE

El. InjEl. Ric.

Lac.

In

jLa

c. R

ic.

IB

Giunzione Polarizzata

direttamente

Giunzione Polarizzata

inversamente

La giunzione BCpolarizzata in inversa fornisce una corrente

trascurabile (Is)

Transistor bipolare a giunzioneCosa succede se WB >> LB, NE = NB

Quindi se la base del transistor non è “stretta”, tutti gli elettroni iniettati dall’emettitore si ricombinano in base e la giunzione BC polarizzata in inversa non dà nessun contributo (quasi). È come se fosse:

QUINDI: NON HO NESSUNEFFETTO TRANSISTOR

IE = IBIC= 0

IB

IE IC

E CB

IBE C

BIE IC

Transistor bipolare a giunzione

Principio di funzionamento

• Considero un bjt npn• In polarizzazione attiva diretta• Che sia a base stretta WB << LB

(considero nulla la ric. in base)• Con drogaggio di emettitore e

base uguali: NE = NB

Transistor bipolare a giunzioneBase stretta WB << LB, NE = NB

n (emitter) p (base) n (collector) ICIE

El. InjEl. Ric.

Lac.

In

j

IB

Giunzione polarizzatainversamente

Giunzione polarizzatadirettamente

La giunzione BCpolarizzata in inversa “raccoglie” tutti gli

elettroni.

E

LE

Transistor bipolare a giunzioneBase stretta WB << LB, NE = NB

Se la base del transistor è “stretta”, tutti gli elettroni (quasi) iniettati dall’emettitore

raggiungono la giunzione BC polarizzata in inversa (il loro tempo di permanenza in base è molto

minore del loro tempo medio di ricombinazione). La giunzione BC 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.

C’È EFFETTO TRANSISTOR

Transistor bipolare a giunzioneBase stretta WB << LB, NE = NB

Tuttavia essendo NE = NB 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 WB=LE).

QUINDI:C’È EFFETTO

TRANSISTOR C’È POCA AMPLIFICAZIONE

IC ≅ IB

Transistor bipolare a giunzione

Principio di funzionamento

• Considero un bjt npn• In polarizzazione attiva diretta• Che sia a base stretta WB << LB

(considero nulla la ric. in base)• Con drogaggio di emettitore maggiore

(molto) del drogaggio di base: NE >> NB

Transistor bipolare a giunzioneCondizioni ideali WB << LB, NE >> NB

n (emitter) p (base) n (collector) ICIE

El. Inj

Lac.

In

j

IB

Giunzione Polarizzatainversamente

Giunzione Polarizzatadirettamente

El. Ric.

A fronte di poche lacune iniettate in

base, nel collettore

arrivano molti elettroni!

Transistor bipolare a giunzioneCondizioni ideali: WB << LB, NE >> NB

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).

QUINDI:C’È EFFETTO

TRANSISTOR E ANCHE AMPLIFICAZIONE

IC >> IBIE ≅ IC

Transistor bipolare a giunzioneAnalisi semplificata

• Considero un bjt npn• In polarizzazione attiva diretta• Che sia a base stretta WB << LB

(non trascuro la ricombinazione in base)• Con drogaggio di emettitore maggiore

(molto) del drogaggio di base: NE >> NB• Trascuro il contributo della BCJ

(polarizzata in inversa)• Trascuro la Gen/Ric nelle RCS

(peraltro mai considerate)

Transistor bipolare a giunzioneAnalisi semplificata

n (emitter) p (base) n (collector)

IB

IC

IpE

IRB

InB InC

IE

ICIE

IB

Transistor bipolare a giunzioneAnalisi semplificata

• Indichiamo con VE e VC le tensioni applicate alle giunzioni Base_Emettitore e Base-Collettore rispettivamente, con la convenzione che tali tensioni si intendono positive in caso di polarizzazione diretta e negative in caso di polarizzazione inversa• In polarizzazione attiva diretta sarà quindi: VE > 0, VC < 0.

Transistor bipolare a giunzioneAnalisi semplificata (InB)

n (emitter) p (base) n (collector)

pE0 pC0

pE(0)

nB(0)

WB

InB

xX=0

( ) ( )

−==

B

BBE

BBEnB W

0nqDAdx

xdnqDA)x(I( ) T

EVV

0BB en0n =

Transistor bipolare a giunzioneAnalisi semplificata (IC)

n (emitter) p (base) n (collector)

pE0 pC0

pE(0)

nB(0)

WB

InB ≈ InC

xX=0

IC

T

E

T

EVV

SVV

BB

2iBE

nBnCC eIeWN

nqDAIII =

=−=−=

NOTA: non ho considerato la IRB in quanto InC>>IRBe quindiInB ≅InC= -IC

Transistor bipolare a giunzioneAnalisi semplificata (IB)

Dalla legge della giunzione

n (emitter) p (base) n (collector)

pE0 pC0

pE(0)

nB(0) WB

xIpE IRB

Qn

T

EVV

EE

2iEE

pE eLN

nqDAI

=

nRB

b

QIτ

=Qn=carica di minoritari in baseτb=tempo di vita dei minoritari

Transistor bipolare a giunzioneAnalisi semplificata (IB)

( )T

EVV

B

B2i

EBB

En eN2WnqA

2W0nqAQ ==

T

EVV

bB

B2i

ERB eN2

WnqAIτ

=

β=

τ

+=+= CVV

bB

2B

E

B

E

B

B

ESRBpEB

IeD2W

LW

NN

DDIIII T

E

22B B

B b B

W WD Lτ

=

Transistor bipolare a giunzioneAnalisi semplificata (IB)

bB

2B

E

B

E

B

B

ED2W

LW

NN

DD

1

τ+

=β β=Guadagno di corrente ad

emettitore comune

Per avere valori di β elevati bisogne avere:

Base stretta (WB piccolo) e poco drogatarispetto all’emettitore (NB/NE piccolo)

Transistor bipolare a giunzioneFunz. in zona ATTIVA DIRETTA

α−α

=β+ββ

=α

α=β+β

=

β+β

=+=

11

II

eI1I

I1III

EC

VV

SE

CCBE

T

E

E

T

E

T

E

T

VV

C SVVC S

B

VVC S

E

I I e

I II e

I II e

β β

α α

=

= =

= =

α=Guadagno di corrente a base comune

Transistor bipolare a giunzioneModello circuitale

C BI Iβ=C

IB

IE

IC

E

B+

_vBE

( )E BI 1 Iβ= +C BI Iβ=

IB

IE

IC

E

CB+_0.7 V

( )E BI 1 Iβ= +

IN ZONA ATTIVA DIRETTA

Transistor bipolare a giunzioneFunz. in zona di SATURAZIONE

SATURAZIONEDirettaDiretta

MODOGiunzioneBase-collettore

GiunzioneBase-emettitore

SATURAZIONEDirettaDiretta

MODOGiunzioneBase-collettore

GiunzioneBase-emettitore

n (emitter) p (base) n (collector)

Giunzioni polarizzatedirettamente

Eccesso di portatori accumulati in base che danno problemi nella commutazione

C BI Iβ<

Transistor bipolare a giunzioneModello circuitale

IN ZONA DISATURAZIONE

IB

IE

IC

E

CB+_≅ 0.7 V

+ -≅ 0.5 V

VCE ≅ 0.2 V

Le correntiIB, IC e IE sono

determinatedal circuito

esterno

C BI Iβ<E C BI I I= +

Transistor bipolare a giunzioneFunz. in INTERDIZIONE

SPENTOInversaInversa

MODOGiunzioneBase-collettore

GiunzioneBase-emettitore

SPENTOInversaInversa

MODOGiunzioneBase-collettore

GiunzioneBase-emettitore

n (emitter) p (base) n (collector)

C

B

E

I 0I 0I 0

=

=

=

Giunzioni polarizzateinversamente

Trascurando la corrente di saturazione inversa

Transistor bipolare a giunzioneModello circuitale

IN INTERDIZIONE

IB

IE

IC

E

CB

C

B

E

I 0I 0I 0

=

=

=

Transistor bipolare a giunzioneFunz. in ATTIVA INVERSA

ATTIVA InversaDirettaInversa

MODOGiunzioneBase-collettore

GiunzioneBase-emettitore

ATTIVA InversaDirettaInversa

MODOGiunzioneBase-collettore

GiunzioneBase-emettitore

In 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 VIENE MAI USATA!

n (emitter) p (base) n (collector)

Giunzione polarizzata

inversamente

Giunzione polarizzatadirettamente

Transistor bipolare a giunzioneSimboli circuitale e convenzioni

IB

IE

IC

E

C

Bpnp

IB

IE

IC

E

C

Bnpn

La freccia presente nel terminale di emettitore indica ilverso della corrente. Con la convenzione adottata nel

verso delle correnti, nel normale funzionamento, si troveranno sempre correnti positive.

Transistor bipolare a giunzione

Interdizione

Attiva

Saturazione

Caratt. ad Emettitore Comune

IC(mA)

VCE (V)

IB=10 µA

IB

IC

E

C

B

+

_VCE

100β =20 µA

30 µA40 µA

50 µA

0 1 2

543210

Dalla trattazione semplificata, non c’è dipendenza da VCE (V)

Transistor bipolare a giunzioneEFFETTO EARLY

n (emitter) p (base) n (collector)

pE0pC0

PE(0)

nB(0)

W

InB

WB

VCB

(bassi valori di VCB)

B BnB E B E B

dn (x) n (0)I A qD A qDdx W

= = −

InB dipende dal gradientedi concentrazione di

elettroni in base

Transistor bipolare a giunzioneEFFETTO EARLY

n (emitter) p (base) n (collector)

pE0 pC0

PE(0)

np(0)

W

InB

WVCB(elevati valori di VCB)

Transistor bipolare a giunzioneEFFETTO EARLY

Aumentando VCE, aumenta molto la tensione di polarizzazione inversa della giunzione BC, al contrario, la tensione polarizzazione diretta della giunzione BE rimane

praticamente invariata a circa 0.7 V.

Si ha quindi un allargamento della RCS della giunzione BC 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 (InB)• Riduzione della corrente di ricombinazione in base.Entrambi questi effetti contribuiscono ad aumentare IC

aumentando la tensione VCE.

Transistor bipolare a giunzioneEFFETTO EARLY: caratteristiche di

uscita ad emettitore comune

IC(mA)

VCE (V)

VBE1

VBE2

VBE3

VBE4VBE5

0 1 2

543210

-VA

Tensionedi Early

Transistor bipolare a giunzione

BE

T

VV CE

C SA

VI I e 1V

= +

BE

1

C0

CE V cos t

A CE A

C C

IrV

V V VI I

− ∆ =

∆ +

= ≅

IC(mA)

VCE (V)

VBE1

VBE2

VBE3

VBE4VBE5

VBE1

VBE2

VBE3

VBE4VBE5

0 1 2

543210

-VA

Tensionedi Early

-VA

Tensionedi Early

r0 ha importanti ripercussionisul funzionamento

del transistor come amplificatore

Transistor bipolare a giunzionebjt ottimizzato

Per ridurre l’effetto Early si deve drogare meno il collettore rispetto alla base. In questo modo, la

RCS della giunzione BC si estenderà quasi completamente nel collettore riducendo così

l’effetto della modulazione di W.

In definitiva, un buon transistor bipolare dovrà soddisfare alla seguente condizione: NNEE>>N>>NBB>N>NCC.

Il bjt non è quindi un dispositivo simmetrico.

Domanda: Cosa succede invertendo l’emettitore con il collettore?

Transistor bipolare a giunzionebjt ottimizzato

n (emitter) p (base) n (collector)

pE0 pC0

PE(0)

np(0)

WW

VCB(elevati valori di VCB)

Transistor bipolare a giunzioneLimiti di tensione e corrente:Nella trattazione semplificata fatta, si è sempre trascurato la

corrente della giunzione base collettore. Ciò è giustificato dal fatto che, in zona attiva diretta, tale giunzione è sempre

polarizzata in inversa.

Bisogna 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. Elevate potenze dissipate danno luogo a fenomeni di autoriscaldamento non trascurabili, che

possono portare alla distruzione del dispositivo stesso.

Transistor bipolare a giunzioneStruttura dei transistor attuali

n-

Si-p

bulk

n+

p

B E C n+n+

Transistor bipolare a giunzioneStruttura dei transistor attuali

n-

n+

pn+

n-

rBEmettitore base

collettore

subcollettore

B E

Serve a ridurrela resistenza di

collettore.

Cosa 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.