Il transistore bipolare a giunzione (BJT)

Il funzionamento da transi-store, cioè l'interazione fra le due giunzioni pn connesse back to back, è dovuto allo spessore ridotto dell'area di base (tipicamente fra 0.1µm e 100µm).

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E C

n p n

B La regione n dell'emettitore inietta elettroni nella regio-ne p della base e quasi tutti gli elettroni iniettati attra-verso la base vengono rac-colti dalla regione n del col-lettore

Le regioni di funzionamento del BJTLe tensioni che si applicano ai terminali polarizzano le due giunzioni pn . Sono possibili quattro distinte regioni di funzionamento.

In termini di tensioni applicate ai terminali, per un BJT NPN:

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Regione di funzionamento

Polarizzazione giunzione Emettitore

Polarizzazione giunzione Collettore

Interdizione Inversa Inversa

Attiva diretta Diretta Inversa

Attiva inversa Inversa Diretta

Saturazione Diretta Diretta

Regione VBE VCB

Interdizione < 0 < 0

Attiva diretta > 0 < 0

Attiva inversa < 0 > 0

Saturazione > 0 > 0

Flusso di corrente in un NPN in regione attiva diretta

Transistore bipolare perché la corrente è un flusso sia di elettroni che di lacune come in una giunzione pn polarizzata direttamente.

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Flusso di corrente in un NPN in regione attiva direttaDescrizione

➢ La polarizzazione diretta della giunzione di emettitore ( vBE>0 ) genera un flusso di portatori minoritari sia per effetto della diffusione che del campo elettrico. La densità dei droganti produce una corrente di diffusione molto maggiore di quella di drift.

➢ La corrente di emettitore iE è costituita dalla somma del flusso di elettroni e di quello delle lacune (iB1) e, per convenzione, è uscente (giunzione pn).

➢ Gli elettroni iniettati nella base generano un gradiente di concentrazione (portatori minoritari) che provoca il flusso verso il collettore. La concentrazione dei portatori minoritari decresce lungo lo spessore della base, ma essendo la base sottile la maggior parte degli elettroni iniettati raggiunge la regione di svuotamento della giunzione di collettore, nonostante la ricombinazione elettrone-lacuna che equivale ad una corrente iB2.

➢ Gli elettroni che entrano nella zona di svuotamento della giunzione di collettore polarizzata inversamente ( vCB>0 ) sono spinti verso il collettore per effetto del campo elettrico ed il loro flusso costituisce la corrente iC.

➢ Se l'emettitore è fortemente drogato e la base è debolmente drogata, la corrente iB associata alle lacune è molto minore di iC ed il guadagno di corrente β è elevato.

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Profili di concentrazione dei portatori minoritari: il grafico

Il decadimento della concentrazione nella base è esponenziale, ma per effetto del valore di W (base sottile) può approssimarsi con la tangente nel tratto iniziale. La concentrazione è nulla nella regione di svuotamento per definizione.

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Profili di concentrazione dei portatori minoritari: le equazioni

✔ La concentrazione iniziale degli elettroni iniettati: n p(0)=n p0 evBE /V T con n p0=ni

2/ N A

concentrazione all'equilibrio termodinamico. La corrente di diffusione degli elettroni

I n=AE q Dn(�n p(0)W ) * dove AE è la sezione della giunzione di emettitore e Dn è la

diffusività degli elettroni nella base.

✔ La corrente di collettore è circa pari a In quindi iC= I S e(v BE /V T ) con I S=AE q Dn ni

2

N AW

(tipicamente fra 10-12A e 10-18A) e fortemente dipendente dalla temperatura (come ni). La corrente di base iB è costituita dal flusso di lacune iniettate nell'emettitore

iB1=AE q D p ni

2

N D LP

e(v BE /V T ) e da quelle che sostituiscono le ricombinate iB2=Qn

τbessendo

τb il life time dei portatori minoritari nella base.

✔ iB si può esprimere come frazione di iC: iB=( I S

β )e(vBE /V T ) con 1β=

D p

Dn

N A

N D

W

Lp

+ W2

2Dn τb

inverso del guadagno di corrente in cortocircuito del BJT.

* La derivata è calcolata dalla concentrazione che varia linearmente nella base.G. Martines 6

Struttura di un BJT npn in tecnologia epitassiale

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Sezione trasversale del BJT flussi di corrente in regione attiva

La corrente di emettitore i E=iC+iB=β+1β iC

ovvero iC=α iE ed iC=β iB

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Modello a largo segnale di un BJT NPN in regione attiva diretta

Modello a T

Modello a π

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Modello di Ebers-Moll

✔ Tiene conto del fatto che il BJT ha due regioni attive di funzionamento la diretta e la inversa.

✔ In regione attiva inversa il guadagno di corrente è molto minore per effetto dei drogaggi non ottimizzati.

✔ È una semplificazione del modello di Gummel-Poon che sia adotta per la simulazione in SPICE

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Effetto EarlyL'aumento della tensione vCB provoca un allarga-mento della regione di svuotamento della giun-zione di collettore e quin-di una diminuzione della lunghezza efficace (W) della base cui corrispon-de un incremento della IS. In conclusione, detta VA la tensione di Early, iC cresce con vCE come:

iC= I S e(v BE /V T )(1+vCE

V A) e la pendenza calcolata a vBE=costante vale ro=

V a+V CE

I C

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Modelli circuitali equivalenti a largo segnale

di un BJT NPN in regione attiva diretta

Con β si indica il guadagno di corrente in cortocircuito ad ampio segnale normalmente indicato con β dc o hFE per distinguerlo da quello del modello equivalente a piccolo segnale che si indica con β ac o hfe. I due valori differiscono tipicamente di circa il 10-20%.

Tipicamente 10≤β≤500 A/A.

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Caratteristiche di uscita di un BJT NPN

Nota il grafico rappresenta i valori alla scala della vBE (minore di 1 V). Alla scala della vCE (decine di V) la regione di saturazione risulta molto schiacciata sull'asse y (molto più ristretta della regione di triodo di un MOSFET).

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Dipendenza dalla temperaturaLa caratteristica di ingresso dipende dalla temperatura vBE-iC dipende dalla temperatura come la corrente in una giunzione pn.

Il guadagno di corrente β dipende da IC e dalla temperatura nel modo indicato.Notare la presenza di un massimo.

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Flusso di corrente in un PNP in regione attiva diretta

Il funzionamento è duale dello NPN. La corrente iC è costituita dal flusso di lacune. Le tensioni e le correnti sono di segno opposto.

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Modello a largo segnale di un BJT NPN in regione attiva diretta

Modelli a T ed a Π senza la resistenza che tiene conto dell'effetto Early.

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Funzionamento a piccolo segnale di un BJT

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Trans-caratteristica di

un BJT a emettitore comune (CE)

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Modello equivalente a piccolo segnale ad alta frequenza

Cπ=C de+C je dove C de=τF gm è la capacità di diffusione della giunzione di emettitore mentre C je≈2C je0 è la capacità della regione di svuotamento della stessa giunzione.Cµ è la capacità di svuotamento della giunzione di collettore.rx è una resistenza che tiene conto del percorso della corrente nell'area di base non attiva.

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Frequenza di transiszione del BJT

Può essere approssimativamente espressa da f T=gm

2π(C π+Cµ)A titolo esemplificativo la variazione con IC è :

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Esempio di stadio amplificatore

invertente con BJT

Circuito di polarizzazione con alimentazione bipolare

Tipico andamento del modulo del guadagno di tensione in funzione della frequenza.

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Il Tiristore

È un dispositivo a quattro strati che si comporta come un diodo polarizzato inversamente quando l’anodo risulta negativo rispetto al catodo e per questo motivo viene anche indicato con il termine SCR (silicon controller rectifier)

Anche quando lo si polarizza direttamente non conduce finché non si applica al gate un impulso positivo rispetto al catodo.

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Controllo di potenza in sistemi AC con SCR

Esempio di controllo di potenza a semplice semionda.

• il gate è controllato da uno stretto impulso di corrente

• un circuito di trigger esterno genera l’impulso quando il segnale di alimentazione supera una prefissata soglia di tensione

• lo SCR continua a condurre fino a che la tensione ai suoi capi non si annulla, annullando la corrente sul carico

• la potenza sul carico può essere variata fra 0 e 50% della potenza massima

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Schema di principio

per un variatore di potenza AC

fra lo 0 ed il 100%

Esempio di controllo di potenza a doppia semionda.

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Il Triac Il Diac

∗ Equivale a due tiristori collegati inversamente in parallelo

∗ può condurre durante entrambe le semionde della forma d’onda della alimentazione

∗ Gli impulsi di trigger possono essere di entrambe le polarità.

∗ è un altro dispositivo a quattro strati che si innesca per break down anziché con un impulso esterno

∗ L’innesco della conduzione avviene quando la tensione applicata (qualunque sia il segno) supera una tensione prefissata detta di breakover

∗ viene spesso utilizzato per generare la sequenza di impulsi di innesco dei triac nei dimmer (nell’esempio)

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Esempio di dimmer a controllo di fase

per la regolazione della luminosità di lampade alogene

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