Il transistor

• dispositivo a semiconduttore con almeno 3 elettrodi che sfrutta le proprietà della giunzione p-n.

• inventato da Bardeen, Brattain and Shockley, ai Bell Laboratories,nel 1948 Premio Nobel nel 1956

• strutture diverse per diverse applicazioni

• estrema miniaturizzazione sviluppo di nuove applicazioni (memorie ad alta densità, computer veloci, computer sempre + piccoli

• può essere schematizzato come un regolatore o generatore di corrente o di tensione

• può svolgere sia la funzione di switch (commutatore o interruttore) che quella di amplificatore

• esistono strutture diverse elaborate per diverse applicazioni• si possono individuare 2 grandi categorie di transistor in base al verso

di scorrimento della corrente rispetto alla giunzione:– transistor bipolari a giunzione (BJT) – corrente perpendicolare alla

giunzione– transistor ad effetto di campo (JFET o MOSFET) – corrente parallela

alla giunzione

emettitore(drogaggio

elevato)base (drogaggio basso)

spessore stretto

collettore (drogaggio intermedio)

p pn

n np

due diverse configurazioni: pnp oppure npnbase = elettrodo di controllo (switch)

piccola variazione della corrente di base rapido cambiamento nell’apparato

Transistor Bipolare a giunzione (BJT)

B

C

E

IC

IEIB

npn

B

C

E

IC

IE

IB

pnp

Il verso della corrente (convenzionalmente la direzione dei portatori di carica positivi) è indicato dalla freccia nel terminale dell’emettitore.

Simboli convenzionali per i BJT

+ -

+ -

+ -

+ -

- +

- +

- +

- +

n np

E CB

due giunzioni p-n che condividono uno strato di semiconduttore intermedio drogatodue diodi contrapposti: emettitore- base base - collettore

distribuzione della carica elettrica

campo elettrico

potenziale elettrico

EB BC

EB BC

EB BC

in assenza di polarizzazione esterna

Caratteristiche di uscita del transistor

descrivono la dipendenza della corrente di collettore dalla differenza di potenziale

tra collettore ed emettitore VCE

famiglia di curve corrispondenti a diversi valori della IB

3 regioni distinte:

a) zona attiva

b) zona di saturazione

c) zona di interdizione

a) zona attiva: rette quasi orizzontali. IB e IC approx proporzionali.BJT utilizzato come amplificatore

b) zona di interdizione: IC=0. VBE<< V diodo BE polarizzato invers. ATTENZIONE: diodo BC inverso. c) zona di saturazione: IC << IB; in questa zona VCE ~ 0÷0.2 V e le

giunzioni sono entrambe polarizzate direttamenteSe diodo BC diretto c’è uno scambio dei ruoli tra E e C d) zona attiva inversa IE = RIB dove R << definito per il transistor in

zona attiva direttapolarizzazione delle due giunzioni:

Base – EmettitoreBase - Collettore

BE direttaBC direttasaturazione

BE direttaBC inversaattiva diretta

BE inversaBC inversacutoff

BE inversaBC direttaattiva inversa

BE

BC

RIASSUMENDO: un transistor può essere adoperato

• come elemento di un circuito logico

facendolo lavorare nello stato di

saturazione (VCE = 0) o di interdizione.

• come amplificatore in 3 diverse configurazioni:

- a emettitore comune amplificatore di

tensione (invertente) con buon guadagno anche in I

- a base comune amplificatore

di tensione (non invertente) con basso

guadagno in I

- a collettore comune elevato guadagno

in corrente ma nessun guadagno in

tensione

Analogia idraulica per il transistor

Junction Field Effect Transistor (JFET)

Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor (MOSFET)

Transistor ad effetto di campo

• Dispositivi a semiconduttore a 3 terminali di facile fabbricazione e meno

ingombranti dei BJT

• densità di componenti > 100000 MOSFET/chip

• possono svolgere la funzione di resistenza o condensatore (collegamento opportuno)

• si possono progettare sistemi elettronici interamente composti da MOSFET

• utilizzo nei VLSI

• si può interpretare il FET come uno switch elettronico che può trovarsi in uno

stato on oppure off

• sotto questo aspetto il FET corrisponde ad un singolo bit, cioè ad una unità

binaria di informazione

• impiego di un campo elettrico per controllare la corrente che scorre nel dispositivo

• cristallo di semiconduttore drogato p o n (canale o body)• la corrente - dovuta solo ai portatori maggioritari - scorre tra due

terminali: sorgente (source) e pozzo (drain)• sul terzo elettrodo (gate) viene applicato un campo elettrico

(potenziale) che modifica la conducibilità del canale e quindi la corrente

barretta di SC a debole drogaggio n - impianto di due zone fortemente drogate p+elettrodi metallici : Gate = elettrodo di controlloSource tra questi due elettrodi scorre la corrente (parallela alla giunzione)Drain modulata da un opportuno potenziale sul gate.

NB : Esiste anche il JFET a canale p con l’impianto di due zone a drogaggio n+

Source Drain

Gate

canale n

p+

p+

Junction Field Effect Transistor (JFET)

Source Drain

Gate

canale p

n+

n+

E’ possibile ottenere lo stesso effetto di strozzamento del canale anche se VGS =0

VDS VGS=0

S

G

D

Aumentando VDS la ddp tra gate e canale aumenta in modo asimmetrico, con un valore maggiore verso il D zona di svuotamento deformata.

Continuando ad aumentare VDS si raggiunge lo strozzamento.Il punto P si trova ad un potenziale tale per cui VGP = VP = tensione di pinchoff.Poiché VGS =0, VSP = VGP = VP, mentre VDP 0quindi VDS = |VP||VP| si può definire come il valore minimo di VDS che, per VGS =0, causa il pinchoff. Per VDS>|VP|, IDS rimane costante (=IDSS= corrente di saturazione).Se VGS ≠ 0,il pinchoff si verifica per valori di VDS inferiori.

VGS=0 VDS

G

S D

luogo dei punti di pinchoffVGS=0

VP

Aumentando VDS si osserva che la ddp tra il punto P e il source rimane uguale a VP mentre si origina una ddp tra drain e P pari a VDS-|VP|, grazie alla quale gli elettroni che raggiungono il punto P proseguono verso il drain.

La ddp per cui inizia la saturazione è data da V’DS VGS -VP

In questa relazione troviamo i comportamenti che abbiamo descritto finora:

per VGS = VP V’DS = 0 che produce IDS = 0 qualunque sia VDS

per VGS = 0 V’DS = VP

Anche il JFET (come il BJT) può essere usato come amplificatore nella zona di saturazione.

Si controlla una corrente con un segnale di tensione (nel BJT si controlla una corrente con un’altra corrente più piccola).

• Il MOSFET è un dispositivo a effetto di campo che utilizza un elettrodo metallico separato da un canale di semiconduttore tramite uno strato di ossido (isolante) (struttura metallo-ossido-semiconduttore)

• Applicando una ddp tra gate e substrato del semiconduttore (body), attraverso lo strato di ossido, si controllano le caratteristiche del canale.

• Esistono 2 tipi di MOSFET – ad arricchimento– a svuotamento

Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor (MOSFET)

MOSFET a canale n ad arricchimento (n channel enhancement – NMOS)

2 regioni n+ in un substrato di tipo p superficie superiore ricoperta di Ossido di Silicio, a parte 2 contatti metallici(Al) per le zone n+ (Source e Drain). Il Gate si trova sullo strato di Ossido,sulla zona inferiore c’e’un quarto elettrodo di Substrato.Normalmente S e Substrato sono tenuti insieme. Il G è ad un potenziale positivo rispetto a S, come pure il D.

In assenza di potenziali esterni alcunielettroni migrano dalle zone n+ verso p. Applichiamo VG > VS(=Vsub) gli elettronivengono attirati nella zona tra D e Screando un canale di conduzione.Applicando una VDS si avrà una correnteIDS da D a S.Tutto ciò avviene se VGS ≥ Vt (tensione di soglia).Il comportamento del MOSFET per VDS piccola è analogo a quello del JFET in zona ohmica.

Aumentare il valore di VDS equivale adiminuire la ddp tra D e G in prossimità del D il canale si deforma e si restringe vicino al D.Quando VDS è tale per cui VDG<Vt (VDG = VGS –VDS ≤ Vt) si ha una situazione dipinchoff analoga a quella vista nel JFET.IDS diventa indipendente da VDS

zona di saturazione del MOSFETAumentando ulteriormente VDS si raggiungela zona di breakdown (10÷ 100 V).

S D(+)

substrato p

n n

G (+)B

- - - - - - -- - - - -- - -

0 1 2 3 4 5 VDS,V

400

300

200

100

0

I DS, A

VGS= 6 V

VGS= 5.5 V

VGS= 5 VVGS= 4.5 VVGS= 4 V

1. zona ohmica (VDS ≤VGS-Vt): IDS = Kp [2(VGS-Vt)VDS –V2

DS] 2. zona di saturazione (VDS ≥ VGS-Vt): IDS = Kp (VGS-Vt)2

per VGS=0, IDS= Kp Vt2 = IDSS=

corrente di saturazione (≈ nA)

Esiste il MOSFET a canale p ad arricchimentonel quale tutti i segni e le polarizzazioni sono invertiti, ma ha un funzionamento del tutto analogo.

SG

(metallo) D

substrato n

p p

MOSFET a canale n a svuotamento

E’ identico al transistor NMOS appena visto, ma esiste già un canale n di conduzionetra le regioni n+. Quindi anche in assenza di tensione sul G ci sarà conduzione.

• Se il G ha un potenziale negativo rispetto al S ( e al substrato, che sono collegati) gli elettroni nella zona n vengono respinti si formerà una zona di svuotamento e quindi si avrà un restringimento del canale modo di svuotamento• Se G ha un potenziale positivo, altri elettroni saranno attratti verso lo strato di ossido e si avrà un allargamento del canale ed un aumento della conduttanza modo di arricchimento

Supponiamo di operare in modo di svuotamento (VG < 0)Aumentando VDS si incontrerà una prima zona ohmica, seguita anche in questo caso da una zona di saturazione dovuta allo stesso effetto di strozzamento già visto in precedenza.Vp è il valore minimo di VDSche causa la saturazione quando VGS=0 ( ed è il valore di VGS che causa il pinchoff quando VDS=0).La curva caratteristica di questo MOSFET è:

Saturazione: VDS tale per cuiVGD = VGS –VDS = VP cioè VDS = VGS-VP

1. zona ohmica (0 <VDS ≤VGS-Vp): IDS = Kp [2(VGS-Vp)VDS –V2

DS]

2. zona di saturazione (VDS ≥ VGS-Vp): IDS = Kp (VGS-Vp)2

NMOS PMOS