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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.