Capitolo VI: Transistori Bipolari a Giunzione

Capitolo 6: Transistori Bipolari a Giunzione

6.1 Introduzione

• Struttura di un transistore bipolare a giunzione (BJT) realizzata mediante una barretta di silicio di tipo p ricoperta di ossido di silicio (SiO2) e drogata con impurità di tipo n e p.
• Costruzione di un transistore planare diffuso al silicio con tre terminali: emettitore, base e collettore.

6.2 Caratteristiche di Ingresso e di Uscita del Transistore

• Funzionamento del transistore descritto da due famiglie di curve: caratteristiche di emettitore a tensione di collettore costante e caratteristiche di collettore a corrente di emettitore costante.
• Caratteristiche di ingresso rappresentano la corrente di emettitore in funzione della tensione emettitore-base, per valori costanti della tensione collettore-base.
• Caratteristiche di uscita rappresentano la corrente di collettore in funzione della tensione collettore-emettitore, per valori costanti della corrente di emettitore.

6.3 Parametri Fondamentali del Transistore a Giunzione

• Fattore di amplificazione di corrente (α) rappresenta il rapporto fra la corrente di uscita e quella di ingresso.
• Fattore di amplificazione di corrente differenziale (β) rappresenta il guadagno di corrente per piccoli segnali a emettitore comune.
• Relazione fra α e β: β = 1 / (1 - α).

6.4 Amplificazione nei Circuiti con Transistori

• Utilizzo del transistore come amplificatore in due connessioni: a base comune e a emettitore comune.
• Esempio di circuito amplificatore con transistore in configurazione a base comune.
• Esempio di circuito amplificatore con transistore in configurazione a emettitore comune.
• Amplificazione di tensione e corrente nel circuito amplificatore.### Il guadagno di corrente hfe
• Il guadagno di corrente hfe è definito per tensione di collettore costante.
• Nel circuito di fig. 9 (a) e anche in quello di fig. 8 (a), le variazioni di IC comportano variazioni della tensione di collettore.
• A causa della pendenza delle caratteristiche di fig. 7 (b), il rapporto ∆IC /∆IB risulta minore di hfe.

Il fattore di amplificazione Ai

• Il fattore di amplificazione Ai può essere espresso come: Ai = ∆IC / ∆IB = hfe / (1 + Rc hoe)
• doe è la pendenza delle caratteristiche di figura 7 (b).

Determinazione del fattore α

• Il fattore α è un parametro molto utile per descrivere l'iniezione di cariche minoritarie nella base.
• Il fattore α è definito come il rapporto fra la corrente di diffusione e la corrente di iniezione: α = (IDn / (IDn + IDp + IR))

La corrente di diffusione IDn

• La corrente di diffusione IDn può essere approssimata come: IDn = qADnB (ni2 / NA) e^(-qVBE / kT) / (WB)
• Dove A è l'area della giunzione EB, Dn è la costante di diffusione degli elettroni, nB è la concentrazione degli elettroni mobili nella base, NA è la concentrazione di accettori nella base, WB è lo spessore della base.

La corrente di iniezione IDp

• La corrente di iniezione IDp può essere approssimata come: IDp = qADpE (ni2 / NDE) e^(-qVBE / kT) / (LpE)
• Dove A è l'area della giunzione EB, DpE è la costante di diffusione delle lacune, nE è la concentrazione delle lacune mobili nell'emettitore, NDE è la concentrazione di donatori nell'emettitore, LpE è la lunghezza di diffusione delle lacune.

La corrente di ricombinazione IR

• La corrente di ricombinazione IR può essere approssimata come: IR = qA W EB (VBE) G e^(-qVBE / 2kT)
• Dove A è l'area della giunzione EB, W EB è la larghezza della regione di carica spaziale, G è la costante di ricombinazione.

Il fattore di trasporto αT

• Il fattore di trasporto αT è definito come il rapporto fra la corrente elettronica che giunge sul collettore e quella entrante nella regione neutra di base: αT = (IC / IDn)
• Il fattore di trasporto αT può essere approssimato come: αT = 1 - (1 / cosh (WB / LnB))

La tensione di rottura BVCBO

• La tensione di rottura BVCBO è la tensione di collettore al di sopra della quale si ha la rottura del transistore.
• La tensione di rottura BVCBO può essere influenzata dall'effetto valanga e dall'effetto transistorico.

La tensione di rottura BVCEO

• La tensione di rottura BVCEO è la tensione di collettore al di sopra della quale si ha la rottura del transistore nella connessione a emettitore comune.
• La tensione di rottura BVCEO può essere influenzata dall'effetto valanga e dall'effetto transistorico.

Il funzionamento del transistore con ingresso cortocircuitato

• Nel funzionamento del transistore con ingresso cortocircuitato, la tensione di rottura BVCES è quasi uguale a BVCBO.
• La tensione di rottura BVCES può essere influenzata dalla resistenza di base.

Lo sfondamento della regione di base

• Lo sfondamento della regione di base si verifica quando la zona di carica spaziale della regione di base viene a occuparne tutto lo spessore.
• In questo caso, la tensione di rottura BVCES può essere minore di BVCBO.### Caratteristiche del Transistore
• La corrente di collettore è quasi costante al variare della tensione VCB, purché questa risulti tale da polarizzare inversamente la giunzione collettore-base.
• La curva IC(VCB) ad IE = cost. incrocia l'asse delle ordinate quando VCB = 0.

Funzionamento in Saturazione

• Il transistore è in saturazione quando VCB è tale da polarizzare la giunzione collettore-base direttamente (VCB < 0 per un transistor n-p-n).
• In queste condizioni, IC diminuisce rapidamente fino ad annullarsi quando VCB è circa uguale a VEB.
• La saturazione si raggiunge prima che la tensione di collettore si annulli (precisamente, quando VCE = VBE).

Analisi di Ebers e Moll

• Lo studio del funzionamento in saturazione si può impostare ammettendo che valga la sovrapposizione degli effetti.
• La sovrapposizione degli effetti significa che le concentrazioni minoritarie, quando ambedue le giunzioni sono polarizzate direttamente, si possono ottenere come somma di quelle relative ai diagrammi a) e b).

Funzionamento Inverso

• Il funzionamento inverso è quello in cui il collettore funziona da emettitore, e l'emettitore da collettore, ossia le polarizzazioni delle due giunzioni sono scambiate sia in segno, sia per valori.

Approssimazioni

• Trascurando la ricombinazione nelle zone di svuotamento e nella zona neutra di base, la trattazione risulta relativamente semplice.
• Le approssimazioni dette equivalgono a considerare γ indipendente dalla corrente e αT = 1.
• In queste ipotesi, le caratteristiche di collettore sono esattamente orizzontali e rappresentate dall'equazione IC = β IB nella connessione a emettitore comune.