Il transistore bipolare a giunzione (BJT)

Il transistore bipolare a giunzione (BJT)
Il funzionamento da transistore, cioè l'interazione fra le
due giunzioni pn connesse
E
back to back, è dovuto allo
n
spessore ridotto dell'area di
base (tipicamente fra 0.1µm
e 100µm).
G. Martines
B
p
La regione n dell'emettitore
inietta elettroni nella regione p della base e quasi tutti
C
gli elettroni iniettati attran
verso la base vengono raccolti dalla regione n del collettore
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Le regioni di funzionamento del BJT
Regione di
Polarizzazione
Polarizzazione
funzionamento giunzione Emettitore giunzione Collettore
Interdizione
Inversa
Inversa
Attiva diretta
Diretta
Inversa
Attiva inversa
Inversa
Diretta
Saturazione
Diretta
Diretta
In termini di tensioni
applicate ai terminali,
per un BJT NPN:
G. Martines
Regione
Interdizione
Attiva diretta
Attiva inversa
Saturazione
VBE
<0
>0
<0
>0
Le tensioni che si
applicano ai terminali
polarizzano le due
giunzioni pn . Sono
possibili quattro
distinte regioni di
funzionamento.
VCB
<0
<0
>0
>0
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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 diretta
Descrizione
➢ La polarizzazione diretta della giunzione di emettitore ( v BE >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 ( v CB>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
v BE /V T
2
✔ La concentrazione iniziale degli elettroni iniettati: n p (0)=n p0 e
con n p0 =ni / N A
concentrazione all'equilibrio termodinamico. La corrente di diffusione degli elettroni
n p (0) *
I n= A E q D n dove AE è la sezione della giunzione di emettitore e Dn è la
W
diffusività degli elettroni nella base.
2
AE q D n ni
(v / V )
✔ La corrente di collettore è circa pari a In quindi i C = I S e
con I S =
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
2
Q
AE q D p ni (v / V )
e da quelle che sostituiscono le ricombinate i B2= τ n essendo
i B1=
e
b
N D LP
τb il life time dei portatori minoritari nella base.
2
I S ( v /V )
1 Dp N A W
W
+
✔ iB si può esprimere come frazione di iC: i B= β e
con β =
D n N D L p 2Dn τ b
inverso del guadagno di corrente in cortocircuito del BJT.
(
)
BE
BE
T
T
( )
BE
T
* La derivata è calcolata dalla concentrazione che varia linearmente nella base.
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Struttura di un BJT npn in tecnologia epitassiale
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Sezione trasversale del BJT
flussi di corrente in regione attiva
β+1
La corrente di emettitore i E =i C +i B= β iC
ovvero
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i C =α i E ed
i C =β i B
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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 Early
L'aumento della tensione
vCB provoca un allargamento della regione di
svuotamento della giunzione di collettore e quindi una diminuzione della
lunghezza efficace (W)
della base cui corrisponde un incremento della IS.
In conclusione, detta VA
la tensione di Early, iC
cresce con vCE come:
iC= I S e
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(v BE / V T )
( )
v CE
1+
VA
e la pendenza calcolata a v BE =costante vale r o =
V a +V CE
IC
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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 temperatura
La 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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G. Martines
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Modello equivalente a piccolo segnale ad alta frequenza
C π =C de +C je dove C de = τ F g m 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
2 π(C π+C µ)
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
∗ 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.
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Il Diac
∗ 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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