Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 I Transistori I transistor sono...

Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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I Transistori• I transistor sono dispositivi con tre terminali

sviluppati dal 1948.

• I tre terminali si chiamano:

Emettitore, Base, Collettore.

(oppure: Source, Gate, Drain. )


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Dispositivi Bipolari e Unipolari

•Definizione: un dispositivo bipolare è quello in cui le correnti sono determinate da tutti e due i tipi di portatori.

(es. transistor BJT = Bipolar Junction Transistor o Transistor Bipolare a Giunzione)

•Un dispositivo unipolare è quello in cui le correnti sono determinate solo da un tipo di portatore di carica.

(es. transistor FET = Field Effect Transistor o Transistor ad Effetto di Campo)


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Schema di transistor BJT n-p-n

Esistono anche i p-n-p con scambio della sequenza dei tre semiconduttori.


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Esempio diimplementazione di transistor n-p-n su wafer di silicio

Lunghezza di Canale(nodo tecnologico)45 nm = 450 diametri atomici


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Transistor p-n-p non polarizzato

Concentrazioni

Campo Elettrico

Livelli Energetici

Schema


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Modo Em-Base Col-Base

•Interdizione Inversa Inversa

•Zona Attiva Diretta Inversa

•Saturazione Diretta Diretta

•Attiva Invertita Inversa Diretta

Modi di funzionamento di un BJT


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Transistor p-n-p in regione attiva

Concentrazioni

Campo Elettrico

Livelli Energetici

Schema


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Regime attivo di un BJT

E


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Il transistor come amplificatore (regione attiva):

vc = – (RC gm) vbe

Il transistor in interdizione:

Correnti molto basse IC 1 nA – 1 A

Il transistor in saturazione:

Per i casi normali si può dimostrare che: VCE 0.2 V si minimizza la caduta di potenziale ai capi del transistor quando il transistor è in saturazione, ossia l’interruttore è chiuso.

Regimi di funzionamento: (2)


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Il transistor come interruttore (1)

Il transistor T di fig. (a) rimpiazza funzionalmente l’interruttore S

di fig. (b). Il comportamento di T è definito dalla vbe.


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Il transistor come diodo

Un transistor può funzionare anche come diodo.

Nella costruzione dei circuiti integrati si costruiscono transistor che poi vengono adattati a diodi, per ottimizzare i processi di produzione solo su di un componente, il transistor appunto.


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Retta di carico (1)La retta dipende soloda entità esterne al diodo.


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Retta di carico (2)Dipende soloda entità esterneal transistor.


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Punto di lavoro (1)

Punto di lavoro = intersezione tra retta di carico e caratteristica del dispositivo, identificata da una ternadi valori VCE, VBE, IC


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Punto di lavoro (2)

VBE

IB


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Punto di lavoro (3)


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Punto di lavoro (4)


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Punto di lavoro (5)


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Limiti di potenza

Grafico dei limitidella potenza di un circuito dove è presente un transistor e possibili rette di carico.


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Limiti di funzionamento dei transistor

I limiti per un transistor n-p-n 2N2222A:

• Corrente massima di collettore (800 mA)• Massima dissipazione di potenza (0.5 W)

• Massima tensione di uscita (breakdown VCE < 40 V)

• Perforazione

• Massima tensione di ingresso ( VBB < VEB decina V)


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Segnali analogici e digitali (1)

Segnale Analogico: la grandezza può assumere qualunque valore all’interno di un intervallo

Segnale Digitale Binario: la grandezza può assumere solo 2 valori.


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Livelli logici (1)

Tensioni

0 logico

1 logico

indeterminato

VL1

VL2

VH1

VH2

Sistema a logicapositiva

Tensioni

VL1

VL2

VH1

VH2

Sistema a logicanegativa


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Livelli logici (2)

Logica positiva Logica negativa


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Segnale Digitale

Importanti: i livelli V1 e V2 e l’intervallo minimo di

scansione temporale del segnale (in questo caso t2 – t1)


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Rumore (1)

Rumore per segnaleanalogico


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Rumore (2)

Un segnale digitale è più immune al rumore di uno analogico perché ammette una banda di variazione entro cui lo stato è univocamente definito.

Mentre il rumore analogico viene trasportato lungotutto il circuito, quello digitale viene filtrato dal primo dispositivo che attraversa.


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Es.: InvertitoreV

V

t

t

Caratteristica di trasferimento: reale ideale

VO

VI

Vth

V+

V+


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Rumore (3)

Margine di rumore per l’1 logico: VOH - VIH

Margine di rumore per lo 0 logico: VIL - VOL


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Famiglie Logiche

I dispositivi di una famiglia hanno le stesse caratteristichefondamentali.

La classificazione per famiglie è:

Famiglie BJT: (TTL,ECL,etc.)Famiglie MOS: (NMOS,CMOS,etc.)Famiglie DTL: (presentano sia diodi che transistor)


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Sistema DL (Diode Logic)

Porta OR implementata inlogica negativa con il sistema DL.

V(1) = 0 VoltsV(0) = 5 Volts

VR = V(0) = 5 Volts


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Porta OR in logica negativaSe tutti gli ingressi sono nello stato 0 (V=5 Volts)

VR – v1 = 0 ; VR – v2 = 0 ; VR – v3 = 0 ;

Tutti i diodi sono polarizzati inversi e non conducono v0 = V(0) = 5 Volts

Se un ingresso v1 = V(1) = 0 Volts il diodo D1 saràpolarizzato direttamente; infatti:

v0 = V(0) – [V(0)-V(1)- V]R/(R+Rs+Rf)

Rf = resistenza diretta del diodo. Se si sceglie R>> Rs–Rf v0 V(1) + V Volts = V(1)


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Porta AND in logica positiva (1)Che succede se prendiamo lo stesso circuito edapplichiamo una logica positiva:


VR = V(1) = 5 Volts


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Porta AND in logica positiva (2)Se tutti gli ingressi sono nello stato 1 (V=5 Volts)

VR – v1 = 0 ; VR – v2 = 0 ; VR – v3 = 0 ;

Tutti i diodi sono polarizzati inversi e non conducono v0 = V(1) = 5 Volts

Se un ingresso v1 = V(0) = 0 Volts il diodo D1 saràpolarizzato direttamente; infatti:

v0 = V(1) – [V(1)-V(0)- V]R/(R+Rs+Rf)

Rf = resistenza diretta del diodo. Se si sceglie R>> Rs–Rf v0 V(0) + V Volts = V(0)


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Porta AND in logica negativa (1)In questo caso costruiamo una porta AND in logica negativa:


VR = V(1) = 0 Volts


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Porta AND in logica negativa (2)Se un solo ingresso v1 è nello stato 0 (V=5 Volts) Il diodo corrispondente è polarizzato direttamente. Infatti:

v0 = V(0) – [V(0)-V(1)- V] Rs/(R+Rs+Rf) – V

Poiché Rs/(R+Rs+Rf) << 1 v0 V(0)

Se tutti gli ingressi sono nello stato 1 (V=0 Volts) per tutti i diodi vale:

v1– V(1) = 0 ; v2– V(1) = 0 ; v3– V(1) = 0 ;

Tutti i diodi sono polarizzati inversamente v0=V(1)

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