Il transistore bipolare: struttura
fisica
•
•
•
E’ formato da 3 regioni alternate di materiale
semiconduttore di tipo p e di tipo n chiamate
emettitore (E), base (B) e collettore (C)
La maggior parte della corrente entra dal
collettore, attraversa la regione di base ed
esce dall’emettitore. Una piccola corrente
entra dalla base, attraversa la giunzione
base-emettitore ed esce dall’emettitore.
Il flusso dei portatori nella regione di base,
situata sotto la regione molto drogata (n+) di
emettitore, definisce le caratteristiche i-v
del BJT.
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Il modello del trasporto nel
transistore npn
•
•
•
•
La piccola larghezza della regione
di base determina l’accoppiamento
delle due giunzioni pn opposte.
L’emettitore inietta elettroni nella
regione di base, quasi tutti passano
attraverso la sottile regione di base
e sono poi raccolti dal collettore
•
Le tensioni base-emettitore vBE e
base-collettore vBC determinano le
correnti nel transistore e se positive
polarizzano
direttamente
le
rispettive giunzioni pn
Le correnti ai terminali sono la
corrente di collettore (iC ), la
corrente di base (iB) e la corrente di
emettitore (iE).
La differenza principale tra BJT e
FET è che iB è significativa,
mentre iG = 0.
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Transistore npn: Caratteristiche
di funzionamento diretto
La corrente di base è data da
iB 

iF
F

IS





v
exp
V
F
La corrente di emettitore è data da
iE  iC iB 
La corrente diretta di trasporto è


 BE 


 T 
v
iC  iF  I exp
V





1

10
18
F







 BE 


 T 
v
exp
V





1
F
0.95  F 
1.0 È il guadagno di
 F 1
corrente diretto a base
Nella regione attiva diretta,
A  IS 10 A
9
VT = kT/q =0.025 V a temperatura ambiente

IS
comune
IS è la corrente di saturazione


1
20  F  500 È il guadagno di corrente diretto
a emettitore comune



S 









 BE 


 T 
iC
iB
Luigi Zeni DII-SUN

Fondamenti di Elettronica Digitale
 F
iC
iE
 F
Transistore npn : Caratteristiche
di funzionamento inverso
0  R  20 È il guadagno di corrente
inverso a emettitore comune
Le correnti di base nei modi di funzionamento
diretto e inverso sono differenti a causa
dell’asimmetria nei livelli di drogaggio nelle
regioni di emettitore e collettore

La corrente di emettitore è data da
La corrente inversa di trasporto è


S 









 BC 


 T 
v
iR  iE  I exp
V
1

La corrente di base è data da


iR
IS







 BC 


 T 
v
iB 

exp
V
R R
IS







 BC 


 T 
v
iC  
exp
V
R
0  R 
1
R
 0.95
 R 1






1
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale





È il guadagno di
corrente inverso a
base comune
Transistore npn : Equazioni per il modello del
trasporto completo per ogni polarizzazione




v
v
v
BC
iC  I exp
 exp

exp
1

V  
V
V

 T  







 I

v
v
v
iE  IS exp BE  exp BC 
exp BE 1
V  

VT 
VT 

 
 T  


I S  vBE   I S  v BC  
exp
iB 
1
1

exp




 F  VT    R  VT  


S 




 BE 


 T 


 BC 


 T 






R 


S 


F 
IS
Il primo termine presente sia nell’espressione della corrente di collettore che di

emettitore
rappresenta la corrente trasportata attraverso la regione di base
Esiste una simmetria tra le tensioni base-emettitore e base-collettore nel definire la
corrente principale del dispositivo
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Calcoli con il modello di
trasporto: Esempio
Utilizzando le espressioni per le
correnti ai terminali,
IC 1.07 mA
I E 1.09 mA
• Problema: Determinare le tensioni e le
correnti ai terminali
• Dati noti: VBB = 0.75 V, VCC = 5.0 V, IS =
10-16 A, F = 50, R = 1
• Ipotesi: Funzionamento a temperatura
ambiente, VT = 25.0 mV.
• Analisi: VBE = 0.75 V,
VBC = VBB - VCC = 0.75 V-5.00V = -4.25 V
IB  21.4 A
F 
F 

Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
IC
IB
IC
IE

1.07mA
 50
0.0214mA

1.07mA
 0.982
1.09mA
Transistore pnp : Struttura
• Le tensioni vEB e vCB sono positive quando polarizzano
direttamente le rispettive giunzioni pn.
• La corrente di collettore e la corrente di base escono dal
transistore, mentre la corrente di emettitore entra nel
dispositivo.
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Transistore pnp : Caratteristiche
di funzionamento diretto
La corrente di base è data da
iB 

La corrente di trasporto diretta è


S 




 EB 


 T 
iC  iF  I exp
v
V





iF
F

IS
F







 EB 


 T 
v
exp
V





1
La corrente di emettitore è data da



S 


iE  iC iB  I 1
1


Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale









F 
1



 EB 


 T 
v
exp
V





1
Transistore pnp : Caratteristiche
di funzionamento inverso
La corrente di base è data da
iF
IS







 CB 


 T 
v
iB 

exp
V
R R

La corrente di trasporto inversa è


S 




 CB 


 T 
iR  iE  I exp
v
V
1
La corrente di emettitore è data da



S 


iC  I 1










1


Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale









R 
1



 CB 


 T 
v
exp
V





1
Transistore pnp : Equazioni per il modello del
trasporto completo per ogni polarizzazione




I
vCB
v
v
iC  I exp
 exp

exp 1
V  
V
V

 T  







 I

v
vEB 
vCB 



EB
iE  IS exp  exp 
exp
1




VT 
VT 

 
VT  




I S  v EB   I S  vCB  
exp
exp
iB 
1
1








 F  VT    R  VT  


S 




 EB 


 T 


 CB 


 T 



S 


R 


S 


F 

Il primo
termine presente sia nella corrente di emettitore che in quella di
collettore rappresenta la corrente che passa attraverso la regione di base
Esiste una simmetria tra le tensioni base-emettitore e base-collettore nel
definire la corrente principale del dispositivo
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Rappresentazioni circuitali del
modello di trasporto
In un transistore npn (analoghe espressioni si trovano per i transistori pnp), la
corrente totale che attraversa la regione di base è rappresentata da un generatore
di corrente dato da:



vBE 
vBC 



iT  iF iR  IS exp  exp 

VT 
VT 


Le correnti relative ai diodi corrispondono alle due componenti della corrente di
base
I S  vBE   I S  vBC  

iB 
1
1
exp
exp


V
V
   T      T  
F

R
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Regioni di funzionamento dei
transistori bipolari
Giunzione BaseEmettitore
Giunzione Base-Collettore
Polarizzazione
inversa
Polarizzazione
diretta
Polarizzazione
diretta
Regione attiva
diretta (buon
amplificatore)
Regione di
saturazione
(interruttore chiuso)
Polarizzazione
inversa
Regione di
interdizione
(Interruttore aperto)
Regione attiva
inversa (scarsa
amplificazione)
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Stati logici
Caratteristiche i-v del transistore bipolare:
Caratteristiche di uscita a emettitore comune
Per iB = 0, il transistore è in interdizione. Se iB
> 0, anche iC cresce.
Per vCE > vBE, un transistore npn è in regione
attiva diretta, iC = F iB è debolmente
dipendente da vCE (effetto Early)
Per vCE < vBE, il transistore è in saturazione
Per vCE < 0, i ruoli di collettore e emettitore si
invertono
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Caratteristiche i-v del transistore bipolare:
Caratteristiche di uscita a base comune
Per vCB > 0, un transistore npn si trova nella regione
attiva diretta, iC = iE è indipendente dalla tensione.
Per vCB < 0, il diodo base collettore viene polarizzato
direttamente e iC cresce esponenzialmente (in
direzione negativa) non appena il diodo base-collettore
entra in conduzione.
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Caratteristiche i-v del transistore bipolare:
Caratteristiche di uscita a emettitore comune
Rappresenta la relazione tra la corrente di
collettore e la tensione base-emettitore del
transistore.
Risulta praticamente identica alla caratteristica
di trasferimento di un diodo a giunzione pn
Impostando vBC = 0 nell’espressione della
corrente di collettore si ottiene


S 




 BE 


 T 
v
iC  I exp
V





1
L’espressione della corrente di collettore

ha la stessa forma dell’equazione di un
diodo
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Modello semplificato per la regione
di interdizione
Se supponiamo che
vBE  
4kT
q
e
vBC  
4kT
q
dove -4kT/q = -0.1 V, quindi le
equazioni del transistore possono
essere
scritte
nella
forma
semplificata
iC  
Nella regione di interdizione
entrambe le giunzioni sono
polarizzate inversamente, si dice
quindi che il transistore è spento
vBE < 0, vBC < 0
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
iE  
iB  
IS
R
IS
F
IS
F

IS
R
Modello semplificato per la regione
attiva diretta
Nella regione attiva diretta, la giunzione base-emettitore è polarizzata
direttamente e la giunzione base-collettore inversamente. vBE > 0, vBC < 0
kT
kT
Se supponiamo che
v 4
 0.1V e v  4
 0.1V
BE
BC
q
q
Allora le equazioni delle correnti ai teminali possono essere semplificate
come


 BE 


 T 
v
iC  IS exp
V
IS

IS
R


 BE 


 T 
 IS exp
v
V

IS
IS
v
vBE 

iE 
exp


exp 
V
F
F F
VT 


IS
IS
vBE  I S I S
vBE 


iB 
exp 


exp 
V



 T  
VT 
F



 BE 


 T 
F
R
iC  F iE
iC  F iB
iE  (F 1)iB
F
Il BJT è spesso considerato un dispositivo controllato in corrente,
sebbene il comportamento in

regione attiva diretta sia quello di un generatore di corrente controllato in tensione.
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Modello semplificato per la regione
attiva diretta
•
•
•
La corrente nel diodo base-emettitore è amplificata dal guadagno di corrente a
emettitore comune F e appare sul collettore; le correnti di base e di collettore
sono legate alla tensione base-emettitore da una relazione esponenziale.
Il diodo base-emettitore viene rappresentato secondo il modello a caduta di
tensione costante (VBE = 0.7 V) dato che è polarizzato direttamente in regione attiva
diretta.
In regione attiva diretta le tensioni di base e emettitore differiscono per una caduta
di tensione di 0.7-V associata a tale diodo.
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Modello semplificato per la regione
attiva inversa
In regione attiva inversa, il diodo
base-collettore
è
polarizzato
direttamente e quello baseemettitore inversamente
Semplificando, le equazioni sono:
iC  
R


 BC 


 T 
exp
v
V


 BC 


 T 


 BC 


 T 
iE  IS exp
v
V
IS
v
V
iB 

IS
R
exp
iE  RiC
iE  RiB

Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Modello semplificato per la regione
di saturazione
•
Nella regione di saturazione, entrambe le giunzini sono polarizzate
direttamente, e il transistore lavora con una piccola tensione tra collettore e
emettitore. vCESAT è la tensione di saturazione per il BJT npn.


 BE 


 T 
v
iC  IS exp
V

IS


 BC 


 T 
v

exp
V
R



 






vCESAT VT ln





R 
1

1
IS


 BE 


 T 
v
iB 
exp
V
F




R
B 


C


F B


IS
R


 BC 


 T 
exp
v
V
iC
( 1)i
i
1
 i
per
Non esistono espressioni semplificate per le
correnti ai teminali se non iC + iB = iE.
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
iB 
iC
 F Modello semplificato
Effetti non ideali nel BJT: Tensioni di
rottura delle giunzioni
• Se la tensione inversa applicata su una delle due giunzioni pn del
transistore è troppo elevata, il diodo corrispondente sarà in zona di
rottura.
• L’emettitore è la regione maggiormente drogata, e il collettore la
meno drogata.
• A causa delle differenze di drogaggio, il diodo base-emettitore ha una
tensione di rottura relativamente bassa (da 3 a 10 V). Il diodo basecollettore può essere progettato per avere tensioni di rottura molto
più alte.
• I transistori devono essere scelti in funzione anche delle possibili
tensioni inverse del circuito.
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Effetti non ideali nel BJT: Trasporto dei portatori
minoritari nella regione di base
•
•
•
La corrente nel BJT è associata ai
fenomeni di trasporto di portatori
minoritari (elettroni negli npn e lacune
nei pnp) nella regione di base.
La corrente di base è data dalla somma
di due componenti associate alle lacune
iniettate nell’emettitore e nel collettore
e una piccola corrente necessaria per
rimpiazzare le lacune perse per
ricombinazione con gli elettroni nella
regione di base.
Le concentrazioni dei portatori di carica
agli estremi della regione di base sono:
nbo è la concentrazione di elettroni all’equilibrio
termodinamico nella regione di base di tipo p





v

vBE 
 BC 
n(0)  nbo exp
e n(WB )  nbo exp

V 
VT 
T


Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Trasporto dei portatori minoritari
nella regione di base (cont.)
•
Per dispositivi con una base di spessore ridotto, la densità dei portatori
minoritari descresce linearmente all’interno della base, e la corrente di
diffusione è:
nbo qADn ni 2
IS  qADn

WB
N ABWB

•
•
NAB = concentrazione di drogaggio nella regione di base
ni2 = concentrazione intrinseca dei portatori (1010/cm3)
nbo = ni2 / NAB
pbo qAD p ni 2
IS  qADp

WB
N DBWB
La corrente di saturazione per un transistore pnp è
 rispetto alle lacune, il transistore
A causa della maggiore mobilità degli elettroni
npn conduce una corrente maggiore rispetto al pnp per specifici valori delle
tensioni applicate.
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Effetti non ideali nel BJT: Tempo di
transito in base
•
Il tempo di transito diretto rappresenta la costante
di tempo associata all’immagazzinamento della
carica minoritaria Q necessaria a stabilire il
gradiente di concentrazione nella regione di base


bo 


Q  qAn
iT 
qAD n
WB


 BE 


 T 
v
exp
V


bo 







WB
2
1


 BE 


 T 
v
n exp
V





1
WB 2
Q WB 2
F  

I T 2Dn 2VT  n
•
Il tempo di transito diretto rappresenta quindi
un
superiore alla frequenza di
 limite
funzionamento del transistore.
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Effetti non ideali nel BJT: Capacità di
diffusione
•
•
Per variazioni di vBE e quindi di iC , anche la carica presente nella regione di
base cambia.
La capacità di diffusione posta in parallelo al diodo base-emettitore
polarizzato direttamente rappresenta la variazione della carica associata a
variazioni di vBE.
dQ
CD 
dv BE
•
Q  point

vBE  I T
1 qAnboWB


exp 
F
V
VT
2
 T  V
T
Dato che la corrente di trasporto normalemente rappresenta la corrente di

collettore in regione attiva diretta,
CD 

IC
F
VT
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
Frequenza di taglio, transconduttanza e
tempo di transito
•
•
A causa della presenza di capacità di diffusione e giunzione, il guadagno di corrente del BJT
risulta dipendente dalla frequenza.
La frequenza di transizione è la frequenza per cui il modulo del guadagno di corrente risulta
pari a uno
F
( f )
1
•
F f
fT
2





1





 B
f
f
gm 
diC
dVBE

Q  point
Il tempo di transito è dato da:


f = fT / F è la frequenza di taglio
2





La transconduttanza è definita da:

•






F

V
I exp BE
V
 T



 S
BE 

d
dV
F 
CD
gm
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale

IC




VT
Q  point
Effetto Early e tensione di Early
•
•
•
•
Al crescere della polarizzazione inversa sulla regione collettore-base, lo spessore
della regione di svuotamento aumenta e lo spessore della base diminuisce
(modulazione dello spessiore di base)
Nei BJT reali, le caratteristiche di uscita hanno una pendenza positiva nella regione
attiva diretta; la corrente di collettore non è indipendente da vCE.
Effetto Early: Quando le caratteristiche di uscita sono estrapolate fino al punto in
cui iC è uguale a zero, le curve si intersecano (approssimativamente) in un punto
comune vCE = -VA che si trova tra 15 V e 150 V. (VA è detta tensione di Early)
Equazioni semplificate (che includono l’effetto Early):
v
iC  I exp BE
V
 T



S 



 v 

1 CE 

 V 


A 



FO 


F  
1

vCE 
V



A 
Luigi Zeni DII-SUN
Fondamenti di Elettronica Digitale
iB 

v 
exp BE 
V 
 T 




FO 

IS

Download Report