Bipolar Junction Transistor - Ingegneria elettrica ed elettronica

BJT
Bipolar Junction Transistor
BJT
• Ideato e fabbricato nel 1947 da Schockley,
Bardeen, Brattain.
• E’ costituito da 2 giunzioni pn consecutive
realizzate su un’unica porzione di silicio e pertanto
puo’ essere di tipo pnp o npn (tutte le relazioni
formali ricavate nel seguito si riferiscono ad un
transistor di tipo pnp)
• Le tre regioni di cui e’ costituito si chiamano
Emettitore, Base (al centro) e Collettore
Convenzione sulle tensioni:
Vxy >0 significa Vx > Vy
BJT - Effetto transistor
L’idea del transistor nacque dalla seguente osservazione:
in una giunzione pn, il campo elettrico ha verso favorevole
al passaggio dei portatori minoritari, ovvero di lacune da n
a p ed elettroni da p a n.
In diretta questo effetto e’ irrilevante data la grande
quantita’ di maggioritari (lacune da p ed elettroni da n) che
diffondono e in inversa il fenomeno e’ nuovamente
irrilevante ma solo perche’ i portatori trasportati dal campo
sono numericamente molto scarsi.
Se si trovasse il modo di aumentare questo numero, ecco
che la corrente di drift aumenterebbe a sua volta
significativamente, pur essendo la giunzione in inversa.
Un modo semplice per aumentare il numero di
minoritari nei dintorni di una giunzione polarizzata
inversamente e’ accostare ad essa una giunzione
polarizzata direttamente!
In questo modo si produce un numero rilevante di portatori
minoritari (a causa della giunzione in diretta) che sono
pronti ad attraversare la giunzione in inversa a causa del
campo elettrico presente ai suoi capi.
Da questa osservazione e’ nata l’idea di realizzare un
dispositivo in cui la corrente da esso uscente fosse
modulabile attraverso una tensione.
L’EFFETTO TRANSISTOR consiste nel fatto che
agendo soltanto sulla giunzione polarizzata in diretta si va a
modificare la corrente che passa attraverso la giunzione in
inversa, senza bisogno di variare la tensione ai suoi capi.
BJT - Effetto transistor
Vediamo ora i vincoli che occorre rispettare per fare in
modo di osservare nella realta’ quanto detto in precedenza:
LARGHEZZA DELLA BASE:
Se le due giunzioni sono
troppo lontane tra loro, i
minoritari si ricombinano
prima di arrivare alla
giunzione inversa
Se le due giunzioni
sono abbastanza vicine,
la maggioranza dei
minoritari non si
ricombina prima di
raggiungere la
giunzione inversa
Perciò: la base deve essere sottile, ovvero di larghezza
minore rispetto alla lunghezza di diffusione dei
minoritari!
BJT - Polarizzazione
Quanto detto finora si riferisce ad un preciso stato di
polarizzazione del dispositivo, ovvero a quello in cui una
giunzione e’ polarizzata in diretta e l’altra in inversa.. Per
ragioni che specificheremo in seguito, il dispositivo non
e’ simmetrico (ovvero non si possono scambiare
emettitore e collettore tra loro) e normalmente la
precedente condizione di polarizzazione (chiamata per
praticità polarizzazione attiva) si riferisce al caso in cui
la giunzione EB è in diretta e quella CB in inversa.
Il caso invertito è detto di polarizzazione attiva inversa
ed è poco usato.
Ci sono poi altri 2 casi, in cui l’effetto transistor citato
piu’ sopra non si manifesta:
a) il caso in cui entrambe le giunzioni sono in diretta
(detto SATURAZIONE)
b) il caso in cui entrambe le giunzioni sono in inversa
(detto INTERDIZIONE)
Anche questi due casi sono interessanti in quanto
rappresentano due stati stabili del dispositivo che
possono essere associati a stati logici diversi (1 e 0
oppure ON e OFF) la cui alternanza (pilotata attraverso
le tensioni applicate al sistema) consente di usare questo
dispositivo per realizzare funzioni digitali.
BJT - Amplificazione
A cosa serve invece il BJT quando viene
polarizzato in zona attiva?
Il controllo della corrente di uscita da parte della
tensione di ingresso, reso possibile da questa
condizione di polarizzazione, serve a convertire
l’energia fornita dall’alimentazione in continua (ovvero
dalla tensione continua di ingresso) in una forma tale
da moltiplicare per un fattore amplificante (ovvero >1)
e trasferire in uscita un segnale tempovariante
sovrapposto all’alimentazione.
segnale di ingresso
segnale di uscita
22
20
ampiezza del segnale (u.a.)
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
-2
0
2
4
6
8
tempo (u.a.)
10
12
14
16
BJT - Distribuzione dei
portatori
Equilibrio termodinamico:
VEB=0; VCB=0;
Saturazione: VEB>0; VCB>0;
Forte flusso di lacune che per
diffusione si riversano in base
provenendo sia da E che da C
==> forte corrente di base, bassa
VEC ==> stato a bassa impedenza
Interdizione: VEB<0; VCB<0;
le barriere si alzano, non passa
una corrente significativa. ==>
scarsa corrente di base, alta VEC
==> stato ad alta impedenza
Regione attiva: VEB>0; VCB<0;
Un flusso di lacune diffonde da E
verso B e da B si riversa per drift
verso C.
Regione attiva inversa: è speculare all’attiva. Un flusso di
lacune diffonde da C verso B e da B si riversa per drift in C.
BJT - Flussi di portatori in regione
attiva
Nell’analizzare il comportamento del dispositivo in regione
attiva, è opportuno partire dall’analisi dei flussi di portatori
attraverso le 2 giunzioni, ricordando che, se Fe e Fh sono
rispettivamente i flussi di elettroni e lacune, le corrispondenti
correnti sono, convenzionalmente, pari rispettivamente a eFe e a +eFh e che i flussi di portatori di segno opposto
hanno direzione tra loro opposta.
Partendo da queste premesse, attraverso le giunzioni EB e
CB, fluiranno:
FhEB: flusso di lacune da E a B (diffusione causata dalla
polarizzazione diretta di EB) ==> I Ep = +eFhEB
FeBE: flusso di elettroni da B a E (diffusione causata dalla
polarizzazione diretta di EB) ==> I En = + eFeBE
FhBC : flusso di lacune da B a C (drift delle lacune che hanno
attraversato B senza ricombinarsi) ==> I Cp = +eFhBC
FhBC0 , FeCB0 : flussi di lacune ed elettroni che attraversano in
direzioni opposte la giunzione CB solo per effetto della sua
polarizzazione inversa (e che esisterebbero anche senza la
giunzione EB), sono piccole quantità di portatori che danno
origine ad una corrente piccola, chiamata I CB0.
Oltre a queste correnti occorre anche considerarne un’altra
costituita dagli elettroni che si consumano ricombinandosi
con le lacune in base. Per ogni elettrone ricombinato,
occorrerà richiamarne un altro dal circuito esterno.
BJT - Flussi di portatori in regione
attiva
A questo punto, siamo in grado di esprimere le varie correnti
che attraversano il dispositivo:
I E = + eFhEB + eFeBE
IC = +eFhBC + eFeCB0 + eFhBC 0
e, infine IB, che ne è (per la legge di Kirchoff) la differenza:
IB = +e FhEB +e FeBE -e FhBC -e FeCB0 - e FhBC0
avendo definito ICB0 = +e FeCB0 + e FhBC0
IC = +e FhBC + ICB0
IB = +e FhEB +e FeBE -e FhBC -I CB0
E’ anche opportuno osservare che non tutti i tipi di portatori
contribuiscono a realizzare l’accoppiamento tra le due
giunzioni che e’ caratteristico dell’effetto transistor: ovvero,
mentre la quantità di lacune che fluiscono tra B e C è
determinata da quante lacune sono state iniettate da E, non è
cosi’ per gli elettroni, i quali sono iniettati da B ad E e
pertanto non raggiungono mai C.
Prima di andare avanti con l’analisi dei flussi è opportuno
anticipare qualcosa circa le condizioni di utilizzo e misura
del dispositivo, in modo da potere, successivamente definire
dei parametri utili a correlare le misure con le caratteristiche
fisiche e geometriche dei dispositivi.
BJT- Configurazioni circuitali in
regione attiva
Il BJT è per sua natura, un dispositivo a 3 terminali.
Ma 2 sono le giunzioni presenti (e perciò 2 sono le
tensioni indipendenti che possono essere applicate al
dispositivo dall’esterno, essendo possibile definirne
una terza che ne è però la somma o la differenza). E’
allora in uso definire le 2 tensioni rispettivamente come
tensione di ingresso e tensione di uscita, considerando
uno dei due terminali cui vengono applicate in comune
tra ingresso e uscita (in modo che costituisca una
tensione di riferimento per entrambe e le renda, in un
certo qual modo, commensurabili).
Seguendo questa convenzione, in regione attiva, il
dispositivo viene normalmente impiegato in due
configurazioni possibili:
La configurazione “a collettore comune” è ovviamente
anch’essa possibile, ma molto poco usata, di fatto
corrispondendo a quella “ad emettitore comune” in regione
attiva inversa.
BJT - Rapporti tra correnti in base
comune
Avendo definito, nelle rispettive configurazioni, le
tensioni di ingresso e uscita, è naturale definire anche delle
correnti di ingresso e di uscita.
In base comune:
Tensione di Ingresso: VEB, Corrente di Ingresso: IE
Tensione di Uscita: VCB, Corrente di Uscita: IC
E’ importante sottolineare che normalmente si intendono
le tensioni come variabili indipendenti (imposte
dall’esterno) mentre le correnti sono le variabili dipendenti
(misurate dall’esterno). Nella realtà sperimentale, è
ovviamente possibile fare il contrario, ovvero imporre dei
valori alle correnti e misurare le corrispondenti tensioni.
A questo punto, riconducendoci all’analisi dei flussi di
portatori già realizzata, è possibile definire alcuni
parametri tipici del dispositivo, caratteristici della
configurazione e dello stato di polarizzazione:
γ = FhEB /(FhEB + FeBE)
Efficienza dell’Emettitore
αT = FhBC /FhEB
Fattore di trasporto in base
Il primo esprime la frazione di lacune emesse da E rispetto
al totale dei portatori che attraversano EB (ricordare che
solo le lacune raggiungono C ovvero l’uscita!)
Il secondo esprime la frazione di lacune che attraversano
“indenni” (ovvero senza ricombinarsi) la base.
BJT - Rapporti tra correnti in base
comune
In base a queste definizioni, si deduce che:
IE = +e FhEB / γ
IC = +αTγ IE + ICB0
e definendo αTγ = α, si ha: IC = αIE + ICB0
poiche’, variando IE di ∆IE, si ha che ∆IC = α∆IE,
α= ∆IC / ∆IE , definizione che evidenzia il fatto che la
componente “controllabile” (e quindi utile rispetto agli
scopi di funzionamento del dispositivo) di IC è in effetti IE
mentre ICB0 è la componente non controllabile da parte
della tensione di ingresso e perciò indesiderata.
Si noti che dalle definizioni, si ricava facilmente che:
αT<1, γ<1, α <1. Pertanto la configurazione a base
comune non è amplificante, anche se, ovviamente è
intuibile che nel progetto del dispositivo occorrerà fare in
modo che tutte queste quantità si avvicinino per quanto
possibile a 1. E’ intuibile, ma lo vedremo meglio nel
seguito, che, affinchè ciò avvenga, occorrerà:
a) che E inietti in B molte piu’ lacune di quanti elettroni B
inietta in E, ovvero che la giunzione EB sia del tipo p+n
--> EMETTITORE MOLTO DROGATO
b) che molte poche lacune si ricombinino in B,
--> BASE MOLTO STRETTA (rispetto al libero cammino
medio delle lacune)
BJT - Rapporti tra correnti in
emettitore comune
In emettitore comune:
Tensione di Ingresso: VEB, Corrente di Ingresso: IB
Tensione di Uscita: VCB, Corrente di Uscita: IC
Ancora una volta, riconducendoci all’analisi dei flussi di
portatori già realizzata, è possibile utilizzare i parametri
del dispositivo definiti prima, per ricavare il coefficiente di
amplificazione in emettitore comune, che chiameremo β:
IC = αIE + ICB0 = α(IB + IC ) +ICB0 ==> IC = αIB /(1- α) +ICB0
IC = βIB +ICB0 /(1- α) = βIB +IEC0
Dunque: β= α/(1- α) e, perciò, se α<1, β è un valore molto
elevato, tipicamente dell’ordine di 100.
Anche β = ∆IC / ∆IB e perciò anche in questo caso IEC0 è
una componente indesiderata della corrente di uscita in
quanto indipendente dalla corrente (e tensione di
ingresso). Va inoltre notato che mentre ICB0 coincide con la
corrente di saturazione inversa della giunzione CB ed è
perciò piuttosto piccola (trascurabile rispetto a IE), IEC0
è invece pari a circa β volte ICB0 e perciò non trascurabile.
Anche questo fatto è dovuto all’effetto transistor ovvero
all’interazione tra le due giunzioni.
BJT- Esempio di effetto transistor
Poiché IC = αIE + ICB0
se IE =0, IC = ICB0
cioè coincide con la
corrente di saturazione
inversa della giunzione
CB
Poiché IC = βIB + IEC0
se IB =0, IC = IEC0
ma in questo caso: con CB
in inversa, gli elettroni
iniettati da C a B, non
potendo uscire da B,
raggiungono indisturbati
(essendo maggioritari in
base) EB e diffondono in E.
Questa iniezione di
minoritari in E provoca una
variazione di VEB che a sua
volta fa aumentare le lacune
iniettate da E a B e
successivamente richiamate
in C. Questo spiega perche’
IEC0 = βICB0