Transistor a giunzione bipolare

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Simbolo del BJT NPN
Simbolo del BJT PNP

Un transistor a giunzione bipolare (in inglese bipolar junction transistor o BJT) è un tipo di transistor, cioè un componente elettronico attivo che funziona come amplificatore o interruttore, ed è formato da una piastra di semiconduttore drogata. Il BJT è formato da diversi strati, drogati in modo diverso, che formano transistor NPN o PNP. La zona centrale è chiamata base, collettore ed emettitore quelle laterali, indifferentemente dal tipo di drogaggio: si può dimostrare che emettitore e collettore non si possono intercambiare. Ognuno di questi tre terminali può essere considerato un terminale di ingresso o di uscita o ancora si possono mettere a comune due terminali, in tal caso si dice che il transistor è a configurazione a base comune, a collettore comune o a emettitore comune.

Indice

[modifica] Introduzione

In base al tipo di transistor (npn o pnp) si possono disegnare le concentrazioni dei portatori di carica entro le tre zone del transistor. Le caratteristiche dei due tipi sono speculari a seconda di quali siano i portatori di carica maggioritari e minoritari. Nel funzionamento lineare la corretta polarizzazione delle giunzioni prevede che quella emettitore-base (\, J_E) sia polarizzata direttamente e quella base-collettore (\, J_C) inversamente. Nel caso in cui entrambe le giunzioni siano polarizzate direttamente si ha la saturazione, se queste sono polarizzate inversamente il transistor è interdetto.

Dunque, a seconda della polarizzazione, il transistor (al di là della configurazione), ha tre regioni di funzionamento:

  1. Regione attiva (alcuni considerano regione attiva diretta e inversa)
  2. Regione di interdizione
  3. Regione di saturazione

[modifica] Correnti nel transistor

Schema delle correnti circolanti nel transistor a giunzione bipolare pnp.

A questo punto possiamo vedere quali sono le correnti che circolano dentro il transistor pnp. Poiché esso ha tre terminali (base B, collettore C ed emettitore E), abbiamo tre correnti \, I_B, I_C, I_E che convenzionalmente si prendono entranti nel transistor e quindi positive. La corrente di emettitore è composta di una corrente di lacune \, I_{pE} e una di elettroni \, I_{nE}, entrambe hanno verso entrante nella base (ovviamente le lacune essendo positive passano dall'emettitore alla base e gli elettroni essendo negativi passano dalla base all'emettitore, ma il verso della corrente è lo stesso per entrambe). Dunque la corrente di emettitore è data da:

\, \, I_E = I_{pE} + I_{nE}

Una parte notevole della corrente IpE attraversa la base e giunge al collettore, e si indica con IpC1, l'altra parte di lacune che entrano nella base si ricombina con gli elettroni della base stessa: IpE − IpC1, mentre la corrente di elettroni \, I_{nE} (che in verità va dalla base all'emettitore) essendo la base molto meno drogata rispetto all'emettitore, è molto inferiore rispetto alla corrente di lacune e quindi trascurabile.

La corrente di collettore è invece (essendo polarizzata inversamente) una piccola corrente di saturazione inversa, chiamata \, I_{C0}, che è composta da elettroni che passano dal collettore alla base InC0 e da lacune che passano dalla base al collettore IpC0. Anche nel collettore queste correnti hanno direzione convenzionale entrante nella base, ma effettivamente questa corrente esce dalla base. Dunque:

\, \, I_C = I_{C0} - I_{pC1}

ma anche:

IC0 = InC0 + IpC0

Se indichiamo con α la frazione di corrente di emettitore che raggiunge il collettore allora:

\, \, I_C = I_{C0} - \alpha I_{E}

α prende il nome di amplificazione di corrente per grandi segnali in questo caso a base comune. Può essere espressa anche come:

\alpha = \frac{I_{C0} - I_C}{I_E}

Per come è definito α è sempre positivo e ha valore compreso tra 0.9 - 0.999 e varia con la tensione VCB.

Naturalmente le stesse considerazioni valgono nel transitor npn, dove si invertono i portatori di carica maggioritari e minoritari e quindi le notazioni cambiano di conseguenza: tuttavia le equazioni valgono in analogia.

[modifica] Regioni di lavoro

Il transistor viene spesso utilizzato come interruttore (switching transistor) adatto per attivare o disattivare circuiti, trasduttori, ecc.. In tutte queste applicazioni il funzionamento è legato a due particolari stati del BJT: quello di saturazione (ON) e quello di interdizione (OFF).

Nella saturazione è indispensabile che le due giunzioni siano polarizzate direttamente. Per bassi valori Vce (tensione tra collettore ed emettitore) la corrente di base Ib perde il controllo sulla corrente di collettore Ic e manca la proporzionalità IC = hfe x Ib (dove hfe sta per guadagno di corrente in continua). I valori convezionali delle tensioni di saturazione sono Vce = 0,2V e Vbe = 0,7V.

Nell'interdizione il transistor non conduce (OFF) e questa condizione si verifica se entrambe le giunzioni sono polarizzate inversamente. Un transistor NPN può essere considerato interdetto se la tensione Vbe è minore o uguale a zero, mentre un transistor PNP può considerarsi interdetto se Vbe è maggiore o uguale a zero.

Notevole importanza assume il tempo impiegato dal dispositivo per il passaggio da uno stato all'altro.

Nel caso ideale il transistor passa nello stato off e in quello ON e viceversa istantaneamente. Se questo fenomeno si verificasse non avremo dispersioni di calore da parte del BJT perché esso nello stato di interdizione e di saturazione non assorbe potenza. Infatti nello stato di interdizione non passa corrente nel transistor e nello stato di saturazione esso presenta una tensione nulla (o quasi).

Transistor BJT.PNG

[modifica] Configurazione a base comune

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce Transistor a base comune.
Caratteristiche di uscita del transistor bjt in configurazione a base comune. Da notare che la tensione base-emettitore viene mantenuta costante.

Nel transistor pnp le correnti sono quelle descritte sopra. Nella configurazione a base comune la corrente è dovuta essenzialmente alle lacune, e la corrente IC è completamente determinata dalla corrente IE e dalla tensione VCB = VC. Inoltre la tensione VEB è anche determinata da queste due variabili allora si può graficare la caratteristica d'uscita:

IC = f1(VCB,IE)

Il grafico della caratteristica di uscita ha in ascissa la VCB = VC, in ordinata IC e viene parametrizzata in base ai valori di IE, mantenendo costante VEB. Come si nota vi sono tre regioni caratteristiche che sono anche generali, in tutte le configurazioni le regioni sono sempre quelle attiva, di interdizione e di saturazione.

Nel caso di transistor pnp a base comune la 'regione attiva è il caso in cui la giunzione JC è polarizzata inversamente e JE è polarizzata direttamente. Essa è rappresentata nella figura come una zona approssimativamente lineare.

[modifica] Configurazione a emettitore comune

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce Transistor a emettitore comune.
Transistor bjt nella configurazione ad emettitore comune

Come si vede dalla figura l'emettitore è collegato direttamente all'alimentazione, mentre la base si trova alla tensione VBE. La VCC è la tensione di alimentazione del circuito ed RL è la resistenza di carico. La giunzione di emettitore risulta polarizzata direttamente e quella di collettore inversamente, siamo cioè nella regione attiva del transistor. Sappiamo che:

(2) \, \, I_B = - I_C - I_E

e che:

(3) \, I_C = I_{C0} - \alpha I_E

dunque ricaviamo la corrente di collettore:

I_C = I_{C0} - \alpha \cdot (- I_B - I_C) = I_{C0} + \alpha I_B + \alpha I_C

mettendo in evidenza IC:

I_C = \frac{I_{C0}}{1 - \alpha} + \frac{\alpha I_B}{1 - \alpha}

In generale si definisce (4) \, \, \beta = \frac{\alpha}{1 - \alpha} detta amplificazione per ampi segnali, e dunque:

(5) \, I_C = (1 + \beta) I_{C0} + \beta I_B

che si può approssimare, sapendo che IB > > IC0 allora il primo addendo si può trascurare:

(5') \, I_C \simeq \beta I_B

che ci dice come il transistor si comporta come amplificatore: una piccola variazione della corrente di base produce tramite il coefficiente β, una notevole variazione di corrente di collettore, poiché 0,95 \le \alpha \le 0,999 il coefficiente β è dell'ordine di 102. In questo senso il transistor è anche un generatore di corrente controllato in corrente (o anche controllato in tensione), per questa sua caratteristica.

[modifica] Configurazione a collettore comune

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce Transistor a collettore comune.

Questa configurazione viene usata comunemente come buffer di tensione. In tale dispositivo il nodo di collettore del transistore è connesso all'alimentazione (un generatore di tensione), il nodo di base fa da ingresso mentre il nodo di emettritore fa da uscita. Il nodo di emettitore "insegue" il potenziale applicato all'ingresso, da cui il nome inseguitore di emettitore (in inglese emitter follower), usato di solito per riferirsi a questa configurazione. L'equivalente a FET del collettore comune è il drain comune.

[modifica] Amplificazione

Si vede bene come il transistor reagisce ad una piccola variazione di tensione di ingresso, producendo una grande variazione di corrente di uscita: ecco il motivo per cui un transistor è un amplificatore, in particolare di corrente.

Le configurazioni fondamentali degli amplificatori a singolo BJT sono:

[modifica] Modelli del transistor

[modifica] Modello di Ebers-Moll

Il modello più simile ad un transistor è quello di Ebers-Moll, poiché esso ha una rappresentazione molto più fisica del funzionamento del transistor e permette di considerarlo in tutte le sue regioni di funzionamento allo stesso modo. Il modello di Ebers-Moll identifica il transistor come formato da due diodi ideali posizionati in direzioni opposte con in parallelo ad ognuno di essi un generatore dipendente di corrente controllato in corrente. In generale l'equazione (1) può essere utilizzata per rappresentare le correnti del diodo simmetricamente, intendendo la corrente di ingresso sia quella di emettitore, come nella (1), sia quella di collettore:

(1) \, I_C = - \alpha_F I_E + I_{C0} \left(1 - e^{\frac{V_C}{V_T}}\right)
(6) \, I_E = - \alpha I_C + I_{E0} \left(1 - e^{\frac{V_E}{V_T}}\right)

Si possono ricavare anche le formule delle tensioni:

(7) V_C = V_T \ln \left(1 - \frac{I_C + \alpha_F I_E}{I_{C0}} \right)
(8) V_E = V_T \ln \left(1 - \frac{I_E + \alpha_I I_C}{I_{E0}} \right)

dove \, \alpha_F, \alpha_I sono le amplificazioni di corrente per identificare che nel primo caso il transistor in modo diretto (forward) e nel secondo inverso (inverse), come avevamo preannunciato.

[modifica] Modello in corrente continua

Lo schema di fronte è la rappresentazione di un transistor NPN connesso a due sorgenti di tensione. Perché il transistor conduca corrente da C a E, si applica una tensione (di circa 0.7 volt) alla giunzione base-emettitore. Questa tensione è chiamata VBE. Questo fa in modo che la giunzione p-n conduca permettendo a una corrente più grande (IC) di scorrere nel collettore. La corrente totale che scorre in uscita è semplicemente la corrente di emettitore, IE. Come tutti i componenti elettronici, la corrente totale in ingresso deve essere uguale alla corrente totale in uscita, quindi:

IE = IB + IC

Questo comportamento può essere sfruttato per creare un interruttore digitale: se la tensione di base è semplicemente una serie di "acceso-spento", allora anche la corrente di collettore seguirà lo stesso andamento nel tempo.

In termini generali, comunque, l'amplificazione βdc, ovvero il guadagno del transistor, è estremamente dipendente dalla temperatura di esercizio: all'aumentare della stessa il guadagno aumenta. In base alla tipologia di circuito elettronico che viene realizzato (ma in particolare nei circuiti amplificatori che richiedono al componente di lavorare nella zona linerare delle sue caratteristiche), il progettista dovrebbe sempre considerare una soddisfacente retroazione, tale da minimizzare gli effetti della variazione di temperatura.

[modifica] Modello per piccoli segnali

Qualora i segnali sono abbastanza piccoli, il transistor si comporta con sufficiente linearità e si può usare il modello ibrido del transistor.

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce Modello ibrido del transistor.

[modifica] Modello del transitor ad alte frequenze

In questo caso non si possono utilizzare i modelli precedenti, perché il transistor non si comporta con linearità. In questo caso si usa il modello di Giacoletto o modello ibrido a parametri π.

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce Modello di Giacoletto.

[modifica] Voci correlate

[modifica] Collegamenti esterni


  • fisica Portale Fisica: accedi alle voci di Wikipedia che trattano di fisica
Estratto da "http://it.wikipedia.org/wiki/Transistor_a_giunzione_bipolare"
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