GIUNZIONE NPN

Per illustrare ora il funzionamento del BJT consideriamone uno di tipo npn; il discorso varrà

analogo, ma duale, per il BJT di tipo pnp. Ricordiamo che una polarizzazione diretta favorisce il

passaggio di portatori maggioritari, mentre una polarizzazione inversa favorisce quello dei

minoritari. Scegliendo le polarizzazioni come in figura, le regioni svuotate saranno rispettivamente:

quella di emettitore-base (in polarizzazione diretta) ridotta, mentre quella di base-collettore (in

polarizzazione inversa) allargata.

Per capire il funzionamento del transistor si propone ora di seguire il cammino che gli elettroni

fanno per attraversarlo dall’emettitore al collettore, attraverso la regione di base. Il discorso sarà poi

identico ma duale per le lacune (che attraverseranno il BJT dal collettore alla base). Quando il

valore della tensione di polarizzazione diretta VBE supera il valore di soglia Vγ, si ha un passaggio

di elettroni dall’emettitore alla base, ossia da una regione dove sono portatori di maggioranza in una

dove divengono portatori di minoranza, visto il drogaggio di tipo p della base. Mentre la regione di

emettitore viene usualmente drogata pesantemente in modo da fornire più elettroni possibili per la

conduzione, la regione di base è solitamente meno drogata, in modo da diminuire la possibile

ricombinazione degli elettroni che arrivano dall’emettitore con le lacune presenti in base. In effetti

minore sarà il numero di elettroni che giungeranno al collettore, più bassa sarà la corrente. La

polarizzazione inversa favorirà ora il passaggio degli elettroni, divenuti portatori minoritari, dalla

base al collettore.

La minoranza di elettroni che si ricombinano in base crea una corrente IB al terminale. Tale

corrente è dovuta a lacune che dal circuito esterno entrano in base (o dualmente da elettroni che

escono dalla base e passano al circuito esterno) per sostituire le lacune ricombinatesi con gli

elettroni provenienti dall’emettitore. La corrente IB che nasce è solo una piccola percentuale (1-2%)

della corrente di collettore IC. Ciò è essenziale per poter utilizzare il BJT come elemento

amplificatore. È ora chiaro come il termine bi-polare nell’acronimo del BJT è indice del fatto che i

portatori sono sia elettroni che lacune.

La figura 5 mostra il verso convenzionale delle correnti che sono nella direzione delle lacune.

Tenuto conto dei versi di percorrenza, quindi dei segni, la somma delle correnti dovrà essere nulla

n rispetto delle leggi di Kirchhoff, quindi

IE = IB + IC

Transistor BJT npn e pnp

Il transistor a giunzione bipolare (o più brevemente BJT=bipolar junction transistor) è largamente usato

in elettronica, sia come componente discreto sia come elemento fondamentale per la realizzazione dei circuiti

integrati. Si tratta di un componente a tre terminali, denominatibase (B), collettore (C) ed emettitore (E) .

Ci sono due tipi di BJT: il BJT npn e il BJT pnp. Essi differiscono per il simbolo elettrico (si distinguono

per la direzione della freccia sul terminale emettitore, che indica anche la direzione di passaggio della

corrente nell'emettitore) e per i versi delle tensioni e delle correnti, come mostrato in figura:

Si osservi la convenzione largamente diffusa di scrivere i nomi delle tensioni indicando a pedice come prima

lettera il terminale su cui punta la freccia della tensione: così Vbe indica una tensione positiva col + sulla

base, mentre Veb indica al contrario una tensione positiva con il + sull'emettitore.

Nel seguito, per semplicità, la trattazione verrà svolta prendendo come base il solo BJT npn (il più usato

nella pratica), indicando talvolta a parte le differenze rispetto al tipo pnp.

Trovare il terminale di emettitore

L'immagine seguente mostra invece l'aspetto di diversi tipi di transistor BJT:

Come si vede la forma assunta dai BJT è estremamente variabile e poco standardizzata.

Su alcuni componenti il terminale di emettitore è indicato per mezzo di un puntino o di una linguetta posta

sul corpo del componente:

I BJT in plastica cilindrici con un bordo smussato hanno l'emettitore sulla destra della faccia smussata:

In generale per trovare l'emettitore conviene fare riferimento ai fogli tecnici del componente (datasheet)

oppure usare un multimetro. La figura seguente mostra l'uso di un multimetro in configurazione ohm-metro

per determinare qual è il collettore e qual è l'emettitore di un BJT npn:

La misura si basa sul principio che la resistenza misurata fra collettore e base e fra emettitore e base in un

npn è infinitamente elevata (lettura OL dello strumento). Viceversa la resistenza misurata con i terminali

collegati al contrario è molto bassa.

Alcuni tester possiedono un'apposita configurazione detta "prova transistor" o "prova diodi" (diode check)

per mezzo della quale è possibile la lettura sul tester della tensione di polarizzazione diretta delle giunzioni

del BJT

Le tre zone di funzionamento di un BJT

Il BJT può lavorare in tre zone di funzionamento principali (regions of operation), dette rispettivamente:

zona di interdizione (cutoff region)

zona attiva (o lineare o di amplificazione, forward active region)

zona di saturazione (saturation region)

Nel seguito esamineremo dettagliatamente il comportamento del BJT nelle tre zone e i metodi di calcolo da

usare per determinare in quale zona sta funzionando il BJT.

Per adesso ci limitiamo ad affermare che:

in zona di interdizione il BJT non conduce corrente: le correnti di base, collettore ed emettitore (Ib,

Ic e Ie) sono tutte nulle (o comunque molto piccole);

in zona attiva il BJT si comporta come un amplificatore di corrente: la corrente di collettore Ic è

legata alla corrente di base Ib e aumenta al crescere di quest'ultima;

in zona di saturazione il BJT si comporta come un conduttore quasi ideale (un filo) collegato fra

collettore ed emettitore: in queste condizioni la tensione Vce è molto bassa (idealmente zero) e non

vale più la relazione di proporzionalità fra Ib e Ic.

BJT in zona di interdizione

Consideriamo un BJT npn. Il comportamento fra base ed emettitore è perfettamente assimilabile a quello di

un normale diodo. In effetti il BJT è internamente realizzato come un diodo fra base ed emettitore (nel caso

del BJT pnp il collegamento del "diodo" è l'opposto):

Se la giunzione BE viene polarizzata inversamente con una tensione Vbe negativa o minore della tensione di

soglia (circa 0,6-0,7 V), non c'è passaggio di corrente nel transistor. In queste condizioni si dice che il

transistor è in zona di interdizione.

Quando il BJT lavora in zona di interdizione, esso non è percorso da corrente su nessuno dei suoi terminali

(base, collettore, emettitore). In pratica è come se fosse "spento" (in stato OFF). Si noti che la zona di

interdizione dipende solo dalla tensione Vbe: è questa che comanda l'accensione o lo spegnimento dell'intero

transistor.

Si consideri a questo proposito lo schema seguente: la batteria E polarizza inversamente la giunzione base-

emettitore. Questo azzera tutte le correnti nel transistor, come evidenziano le misure dei tre amperometri. La

tensione Vcc fra collettore ed emettitore, come si può notare, non è in grado di far passare alcuna corrente

nel BJT, quando quest'ultimo è in zona di interdizione.

BJT in zona attiva oppure in zona di saturazione

Se invece la giunzione BE viene polarizzata direttamente, con una tensione positiva sulla base, il transistor

conduce e passa corrente.

Si consideri il circuito in figura:

Se la tensione della batteria E supera la tensione di soglia del transistor (circa 0,6-0,7 V), la corrente IB può

essere facilmente calcolata così:

La resistenza RB serve per limitare la corrente che entra in base e a proteggere pertanto il BJT dal rischio di

danneggiamento. La corrente di emettitore IE è uguale a IB (per la legge di Kirchhoff alle correnti), mentre

la corrente di collettore IC è zero, essendo il collettore scollegato:

IE = IB

IC = 0 A

Per esempio se E = 5 V e RB = 20 kOhm, abbiamo:

In questa situazione il BJT potrebbe trovarsi in zona attiva oppure in zona di saturazione, come vedremo

meglio nei prossimi paragrafi. In altre parole: lo studio della giunzione BE non è sufficiente per determinare

se il BJT è in zona attiva oppure in zona di saturazione. A tale scopo bisogna andare a studiare anche quello

che accade fra collettore ed emettitore.

Polarizzazione in zona attiva

Naturalmente usare un BJT come se fosse un semplice diodo non è molto utile. Le cose diventano più

interessanti se, oltre ad applicare una tensione > 0,6 V fra base ed emettitore, aggiungiamo anche una

tensione di polarizzazione fra collettore ed emettitore, come in figura:

Osserviamo che il circuito di base è lo stesso studiato nel paragrafo precedente e serve per fornire al

transistor una tensione di polarizzazione diretta sulla giunzione base-emettitore. Il generatore Vcc serve per

polarizzare invece l'altra giunzione del BJT.

Si dice che il BJT è polarizzato in zona attiva (o in zona lineare o forward active region) quando si

verificano due condizioni:

la giunzione fra base ed emettitore è polarizzata direttamente con una tensione di circa 0,6-0,7 V;

la tensione fra collettore ed emettitore è maggiore di circa 0,3 V.

Nel nostro caso il valore 5 V di Vcc va più che bene, dal momento che basta che si abbia Vce > 0,3 V circa.

ATTENZIONE: come vedremo meglio nel prossimo paragrafo, se la tensione fra collettore ed emettitore

scende al di sotto di circa 0,3-0,4 V, il BJT non lavora più in zona attiva, ma passa in zona di saturazione.

Correnti in zona attiva e beta del transistor

Osserviamo nella figura precedente i valori delle tre correnti di base, collettore ed emettitore (misurate dai

tre amperometri). In zona attiva abbiamo in generale che:

la corrente in base Ib è molto minore delle altre due correnti;

la corrente di collettore Ic è direttamente proporzionale alla corrente di base secondo la formula:

Ic = ß Ib

dove ß è un parametro fondamentale del BJT detto guadagno di corrente in continua (DC current

gain o semplicemente "beta" - spesso indicato anche come hfe sui manuali tecnici);

la corrente di emettore Ie è uguale alla somma delle altre due correnti (in base alla legge di Kirchhoff

alle correnti):

Ie = Ib + Ic

Nel circuito in figura, possiamo determinare il valore di ß dalla formula inversa

ß = Ic/Ib = 20.7mA/0.21mA = 98.6

Osserviamo che ß è un numero puro (senza unità di misura), essendo il rapporto di due correnti. Il suo

valore cambia da un BJT all'altro, ma tipicamente può variare da 50 a 200. Come suggerisce il nome per

esteso (guadagno di corrente), ß fornisce una misura di quanto la corrente di collettore è più grande della

corrente di base.

Il BJT in zona attiva si comporta in sostanza come un amplificatore di corrente. Se la corrente di base

aumenta, anche la corrente di collettore aumenta proporzionalmente.

Circuito BJT e lampadina: zona di interdizione

Consideriamo adesso il circuito mostrato in figura:

I componenti sono i seguenti:

E è un generatore di tensione continua regolabile, inizialmente spento (E = 0 V)

Rb è una resistenza da 1500 Ohm

V è un voltmetro

la lampadina è una comune lampadina da 12 V, 6 W di potenza e 24 Ohm di resistenza

Analizziamo il circuito. Essendo il generatore E spento, la tensione Vbe è zero e dunque anche la corrente di

base Ib è nulla.

Di conseguenza anche la corrente Ic è zero (essendo Ic = ß Ib) e pure Ie vale zero (infatti Ie = Ic + Ib).

Siccome non passa corrente nel collettore, non c'è corrente nella lampadina, che rimane spenta. La lampadina

si comporta in prima approssimazione come un semplice resistore. Pertanto anche la tensione sulla

lampadina è zero (non essendoci corrente) e tutta la tensione del generatore da 12 V si trova fra il collettore e

l'emettitore del BJT (vedi la lettura del voltmetro).

Come già visto, in questa condizione si dice che il BJT è in zona di interdizione ovvero, più semplicemente,

che in stato off o spento.

Circuito BJT e lampadina: zona attiva

Aumentiamo ora la tensione E portandola per esempio a 4 V. In questo modo la giunzione base ed emettitore

risulta polarizzata direttamente e si comporta praticamente come un diodo. Pertanto la corrente di base Ib

può essere calcolata con

Conoscendo Ib possiamo calcolare Ic dalla formula

Ic = ß Ib

Ipotizzando per ß nel nostro BJT un valore 100 (valore tipico per i BJT più comuni), abbiamo:

Ic = 100 x 2,27m = 227 mA

La corrente di emettitore è semplicemente la somma delle due correnti trovate prima e dunque:

Ie = Ib + Ic = 229,27 mA

Per quanto riguarda la lampadina, la tensione ai suoi capi può essere ricavata in base alla corrente che

l'attraversa (227 mA) e alla sua resistenza equivalente (24 Ohm). Abbiamo dunque:

Vlamp = 24 x 227m = 5,45 V

Come si vede la tensione è circa la metà della tensione nominale di funzionamento della lampadina (12 V) e

dunque la lampadina si illuminerà ma solo parzialmente.

Infine possiamo ricavarci la tensione Vce fra collettore ed emettitore nel BJT in base alla legge di Kirchhoff

alle tensioni:

Vce = Vcc - Vlamp = 12 - 5,45 = 6,55 V

Il BJT lavora in zona attiva e la situazione è quella mostrata in figura:

Circuito BJT e lampadina: zona di saturazione

Supponiamo ora di aumentare ulteriormente la tensione della batteria E. La corrente in base Ib aumenterà di

conseguenza, in base alla formula:

Conseguentemente aumenta anche la corrente di collettore Ic (che, come sappiamo, è legata a Ib). Ora

domandiamoci: la corrente di collettore può aumentare all'infinito nel nostro circuito?

La risposta è no, poiché all'aumentare di Ic aumenta anche la tensione sulla lampadina e, conseguentemente,

si riduce la tensione Vce fra collettore ed emettitore. Ma tale tensione non può scendere sotto 0 V, dunque la

corrente Ic massima si avrà quando la tensione Vce si annulla. In questo caso avremo:

Quando Vce si annulla (in realtà quando scende sotto circa 0,4 V), ogni ulteriore aumento della corrente di

base non fa più aumentare la corrente di collettore. Il BJT entra nella cosiddetta zona di saturazione.

In zona di saturazione la corrente di collettore è massima e la tensione Vce fra collettore ed emettitore è

minima. Consideriamo infatti la situazione mostrata in figura:

La corrente di base è data da:

Se ora proviamo a calcolare la corrente di collettore in base alla solita formula

Ic = ß Ib = 100 x 6,27mA = 627 mA

notiamo che questo valore di corrente è impossibile perché produrrebbe sulla lampadina una caduta di

tensione pari a:

Vlamp = 24 x 627m = 15 V

Tale valore di tensione è impossibile perché risulterebbe maggiore della tensione di alimentazione Vcc (che

vale 12 V) e, se si verificasse, implicherebbe una tensione Vce di valore negativo (-3V). Che cosa è successo

dunque?

E' successo che il BJT è entrato in zona di saturazione. Quando il BJT è in zona di saturazione, la sua

corrente di collettore è massima e indipendente dalla corrente di base. In tali condizioni anche aumentando la

corrente di base, la corrente di collettore non aumenta più. In zona di saturazione la tensione Vce raggiunge

il suo valore minimo (idealmente zero, in realtà circa 0,3-0,4 V).