Transistor bipolari a giunzione

Dispositivi elettronici
Il transistor bipolare a
giunzione (bjt)
Sommario
Il transistor bipolare a giunzione (bjt)
come è fatto un bjt
principi di funzionamento
(giunzione a base corta)
effetto transistor (WB<<Ln,p)
effetto di amplificazione (NE>>NB)
……..
npn – bjt
(bipolar junction transistor)
WB
Emettitore
(E)
tipo-p
tipo-n
tipo-n
regione di regione di regione di
Base
Collettore
Emettitore
(B)
(C)
(E)
Giunzione
Base-emettitore
(EBJ)
(B)
Base
Collettore
Giunzione
Base-collettore
(CBJ)
(C)
pnp – bjt
(bipolar junction transistor)
WB
Emettitore
(E)
tipo-n
tipo-p
tipo-p
regione di regione di regione di
Base
Collettore
Emettitore
(B)
(C)
(E)
Giunzione
Base-emettitore
(EBJ)
(B)
Base
Collettore
Giunzione
Base-collettore
(CBJ)
(C)
Transistor bipolare a giunzione
modi di funzionamento
Giunzione
Giunzione
Base-emettitore Base-collettore
(EBJ)
(CBJ)
MODO
Inversa
Inversa
SPENTO
Diretta
Diretta
SATURAZIONE
Diretta
Inversa
ATTIVA Diretta
Inversa
Diretta
ATTIVA Inversa
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 non siano soddisfatte le due
condizioni precedentemente descritte.
Sia quindi: WB >> LB, NE = NB
Transistor bipolare a giunzione
WB >> LB, NE = NB
Cosa succede se
IE
n (emitter)
p (base)
IB
Lac. Ric.
Giunzione
Polarizzata
direttamente
Lac. Inj
El. Inj
El. Ric.
n (collector)
IC
La giunzione BC
polarizzata in inversa
fornisce una corrente
trascurabile (Is)
Giunzione
Polarizzata
inversamente
Transistor bipolare a giunzione
WB >> LB, NE = NB
Cosa succede se
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:
IE
E
B
IB
QUINDI:
IC
C
IE = IB
IC= 0
IE
E
B
IB
IC
C
NON HO NESSUN
EFFETTO TRANSISTOR
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 giunzione
WB << LB, NE = NB
Base stretta
n (emitter)
p (base)
n (collector)
IC
IB
El. Inj
El. Ric.
E
Giunzione polarizzata
direttamente
Lac. Inj
IE
La giunzione BC
polarizzata in inversa
“raccoglie” tutti gli
elettroni.
Giunzione polarizzata
inversamente
Transistor bipolare a giunzione
WB << LB, NE = NB
Base stretta
Se la base del transistor è “stretta”, (quasi) tutti gli
elettroni 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. Tuttavia essendo NE = NB la
corrente di collettore è uguale a quella di base.
QUINDI:
IC = IB
IE= 2 IC
C’È EFFETTO
TRANSISTOR MA NON
C’È AMPLIFICAZIONE
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 giunzione
WB << LB, NE >> NB
Condizioni ideali
n (emitter)
p (base)
IB
El. Inj
El. Ric.
Giunzione Polarizzata
direttamente
Lac. Inj
IE
n (collector)
IC
A fronte di poche
lacune iniettate in
base, nel
collettore
arrivano molti
elettroni!
Giunzione Polarizzata
inversamente
Transistor bipolare a giunzione
WB << LB, NE >> NB
Condizioni ideali:
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:
IC >> IB
IE ≅ IC
C’È EFFETTO
TRANSISTOR E ANCHE
AMPLIFICAZIONE
Transistor bipolare a giunzione
Analisi 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 giunzione
Analisi semplificata
IE
n (emitter)
p (base)
n (collector)
IC
IB
IE
InB
InC
IRB
IpE
IB
IC
Transistor bipolare a giunzione
Analisi 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 giunzione
Analisi semplificata (InB)
n (emitter)
p (base)
n (collector)
nB(0)
InB
pE(0)
pE0
pC0
X=0
nB (0) = nB 0 e
VE
VT
WB
x
dnB (x )
 nB (0) 
= − AEqDB 
InB (x) = AEqDB

dx
 WB 
Transistor bipolare a giunzione
Analisi semplificata (IC)
n (emitter)
p (base)
n (collector)
NOTA:
non ho
considerato la
IRB in quanto
InC>>IRB
e quindi
InB ≅InC= -IC
nB(0)
IC
InB ≈ InC
pE(0)
pE0
pC0
X=0
x
WB
 AEqDBni2
IC = −InC = −InB = 
 NB WB

e

VE
VT
= ISe
VE
VT
Transistor bipolare a giunzione
Analisi semplificata (IB)
n (emitter)
nB(0)
p (base)
WB
n (collector)
 AEqDEni2
IpE = 

pE(0)
Qn
pC0
pE0
IpE
IRB
IRB =
Qn
τb
NELE

e

VE
VT
Dalla legge
della giunzione
x
Qn=carica di minoritari in base
τb=tempo di vita dei minoritari
Transistor bipolare a giunzione
Analisi semplificata (IB)
nB (0)WB
Q n = AE q
= AE q
e
2
2NB
ni2 WB
IRB = AEq
IB = IpE + IRB
ni2 WB
2NB τb
e
VE
VT
VE
VT
 DE NB WB

e
= IS 
+
 DB NE LE 2DB τb 
WB2
VE
VT
IC
=
β
Transistor bipolare a giunzione
Analisi semplificata (IB)
1
β=
DE NB WB
WB2
+
DB NE LE 2DB τb
β=Guadagno di
corrente ad
emettitore comune
Per avere valori di β elevati bisogne avere:
Base stretta (WB piccolo) e poco drogata
rispetto all’emettitore (NB/NE piccolo)
Transistor bipolare a giunzione
Funz. in zona ATTIVA DIRETTA
IC = IS e
 IS
IB = = 
β β
IC
β+1
IE = IB + IC =
IC
β
VE
VT

e

 IS 
IE = =   e
α α 
IC
VE
VT
VE
VT
β+1
IE =
ISe
β
IC = αIE
VE
VT
α
β
β=
α=
1− α
β+1
α=Guadagno di corrente a base
comune
Transistor bipolare a giunzione
Modello circuitale
IC
IB
B
C
IN ZONA
ATTIVA DIRETTA
IC = β IB
+
vBE
_
IC
IB
IE
B
E
IE = ( β + 1) IB
+
0.7 V _
C
IC = β IB
IE
E IE = ( β + 1) IB
Transistor bipolare a giunzione
Funz. in zona di SATURAZIONE
Giunzione
Base-emettitore
Giunzione
Base-collettore
MOD O
Diretta
Diretta
S AT U R AZI ONE
n (emitter)
Giunzioni polarizzate
direttamente
p (base)
n (collector)
Eccesso di portatori
accumulati in base
che danno problemi
nella commutazione
IC < β IB
Transistor bipolare a giunzione
Modello circuitale
IN ZONA DI
SATURAZIONE
IB
B
0.6 V
+
-
IC
C
+
0.8 V _
IE
IE = IC + IB
E
VCE=0.2 V
IC < β IB
Le correnti
IB, IC e IE sono
determinate
dal circuito
esterno
Transistor bipolare a giunzione
Funz. in INTERDIZIONE
Giunzione
Giunzione
Base-emettitore Base-collettore
Inversa
Inversa
n (emitter)
Giunzioni polarizzate
inversamente
MOD O
S P E NT O
p (base)
n (collector)
IC = 0
IB = 0
IE = 0
Trascurando la corrente di saturazione inversa
Transistor bipolare a giunzione
Modello circuitale
IN INTERDIZIONE
IC
IB
B
C
IC = 0
IE
E
IB = 0
IE = 0
Transistor bipolare a giunzione
Funz. in ATTIVA INVERSA
Giunzione
Base-emettitore
Giunzione
Base-collettore
MOD O
Inversa
Diretta
AT T I VA I n v e r s a
Vedremo dopo che il bjt non e’ simmetrico, c’è ancora effetto
transistor, ma c’è poca (anche < 1) amplificazione!!
NON VIENE MAI USATA!
n (emitter)
Giunzione
polarizzata
inversamente
p (base)
n (collector)
Giunzione polarizzata
direttamente
Transistor bipolare a giunzione
Simboli circuitale e convenzioni
C
E
IC
IB
IE
IB
npn
B
E
IE
pnp
B
C
IC
La freccia presente nel terminale di emettitore indica il
verso della corrente. Con la convenzione adottata nel
verso delle correnti, nel normale funzionamento, si
troveranno sempre correnti positive.
Transistor bipolare a giunzione
Caratt. ad Emettitore Comune
Saturazione
IC
(mA)
Attiva
5
4
50 µA
3
40 µA
30 µA
2
20 µA
1
IB=10 µA
0
0
1
VCE (V)
2
IC
C
IB
B
E
+
_
VCE
β = 100
Dalla trattazione
Semplificata, non
Interdizione c’è Dipendenza da
VCE (V)
Transistor bipolare a giunzione
EFFETTO EARLY
n (emitter)
p (base)
n (collector)
np(0)
Pn(0)
In
pn0
pn0
W
In = A E qDn
∂np (x)
∂x
 np (0) 
= A E qDn  −

W


In dipende dal gradiente
di concentrazione di
elettroni in base
Transistor bipolare a giunzione
EFFETTO EARLY
n (emitter)
p (base)
np(0)
Pn(0)
In
pn0
W
W
n (collector)
Aumentando VCE,
aumenta anche la
polarizzazione
inversa della BCJ
Si ha un
allargamento
pn0 della RCS e
diminuzione di W
Questo comporta un aumento del gradiente di concentrazione
di elettroni in base con il conseguente aumento di In
Transistor bipolare a giunzione
EFFETTO EARLY – caratt. uscita
50 µA
IC
(mA)
40 µA
30 µA
5
4
Tensione
Early
VA
20 µA
3
2
IB=10 µA
1
0
0
1
VCE (V)
2
Transistor bipolare a giunzione
EFFETTO EARLY – caratt. uscita
IC = IS e
VE
VT

VCE 
1+

VA 

 ∂I
r0 =  C
 ∂VCE
VA
≅
IC


IB ,VBE cos t 

40 µA
30 µA
5
4
Tensione
Early
VA
−1
50 µA
IC
(mA)
20 µA
3
2
IB=10 µA
1
0
0
1
VCE (V)
2
r0 ha importanti ripercussioni
sul funzionamento
del transistor come amplificatore
Transistor bipolare a giunzione
Struttura dei transistor attuali
B
E
C
p
n+
n+
nn+
Si-p
bulk