Transistor a giunzione bipolare

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 semiconduttori drogati. Il BJT è formato da diversi strati, drogati in modo diverso, che formano transistor NPN o PNP. Le tre zone sono chiamate base, quella centrale, 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.

Introduzione

• Inserire figura

In base al tipo di transistor (npn o pnp) si possono graficare 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

Correnti nel transistor

A questo punto possiamo vedere quali sono le correnti che circolano entro il transistor pnp. Poiché esso ha tre terminali (base, collettore ed emettitore), 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 uguale). Dunque la corrente di emettitore è data da:

$\,\,I_{E}=I_{pE}+I_{nE}$

Una parte di lacune che entrano nella base si ricombina con gli elettroni della base stessa, mentre la corrente di elettroni $\,I_{nE}$ viene respinta dalla base e quindi esce dalla base. La restante parte di lacune giunge al collettore e la indichiamo con $\,I_{pC1}$.

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

$\,\,I_{C}=I_{C0}-I_{pC1}$

Se indichiamo con $\alpha$ la frazione di corrente di emettitore che raggiunge il collettore allora:

$\,\,I_{C}=I_{C0}-\alpha I_{E}$

$\alpha$ prende il nome di fattore di amplificazione di corrente.

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.

Equazione generalizzata

Nel caso generale (transistor pnp), non solo in regione attiva, l'equazione del transistor diventa:

$(1)\,\,I_{C}=-\alpha I_{E}+I_{C0}\left(1-e^{\frac {V_{C}}{V_{T}}}\right)$

dove $\,I_{C0}$ è la corrente inversa di saturazione, cioè quella della giunzione tra base e collettore, $\,V_{C}$ la tensione ai capi della giunzione $\,J_{C}$ e al solito $\,V_{T}$ è l'equivalente in Volt della temperatura.

Funzionamento in interdizione e saturazione

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 Vbe= = 0,8V

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 intedizione non passa corrente nel transistor e nello stato di saturazione esso presenta una tensione nulla (o quasi).

Configurazione a base comune

Polarizzazione del transistor

La figura mostra la polarizzazione attiva del transistor (sia pnp che npn) in configurazione attiva. Nel transistor pnp le correnti sono quelle descritte sopra.

Per quanto riguarda la regione di saturazione essa è identificata dal fatto che entrambe le giunzioni sono polarizzate direttamente: in questo caso la tensione di collettore varia pochissimo per grandi variazioni della tensione applicata. Questa tensione è positiva in questa zona (si ricordi che siamo in zona di saturazione) e questo significa che abbassando la barriera di potenziale della giunzione $J_{C}$, la corrente può fluire liberamente attraverso tutto il transistor. Per alti valori di $V_{C}$ la corrente diventa persino positiva, infatti nel verso delle correnti entranti (scelto come riferimento) la corrente $I_{C}$ risulta essere negativa (uscente) in base alla (1), quindi sempre in base alla (1) può succedere che il secondo addendo a secondo membro diventi più grande del primo addendo.

Nella zona di interdizione (cut-off) entrambe le giunzioni sono polarizzate inversamente, questo provoca un innalzamento delle barriere di potenziale alle giunzioni che impediscono (interdicono) il passaggio di corrente cioè $I_{E}=0$ e quindi $I_{C}=I_{C0}$, quindi c'è una leggerissima corrente inversa (dell'ordine quasi sempre del microampére).

Configurazione 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 $V_{BE}$. La $V_{CC}$ è la tensione di alimentazione del circuito ed $R_{L}$ 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 $I_{C}$:

$I_{C}={\frac {I_{C0}}{1-\alpha }}+{\frac {\alpha I_{B}}{1-\alpha }}$

In generale si definisce $(4)\,\,\beta ={\frac {\alpha }{1-\alpha }}$ e dunque:

$(5)\,I_{C}=(1+\beta )I_{C0}+\beta I_{B}$

che si può approssimare, sapendo che $I_{B}>>I_{C0}$ 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 $\beta$, una notevole variazione di corrente di collettore, poiché $0,95\leq \alpha \leq 0,999$ il coefficiente $\beta$ è dell'ordine di $10^{2}$. In questo senso il transistor è anche un generatore di corrente controllato in corrente (o anche controllato in tensione), per questa sua caratteristica.

Prendiamo ora il caso del transistor nella regione di interdizione (giunzioni polarizzate entrambe inversamente): in questa regione non dovrebbe passare corrente, quindi dovrebbe essere la regione nella quale $I_{B}=0\rightarrow I_{C}=0$. Ma seguendo le equazioni (1) e (2) si vede che per $I_{B}=0$ si ottiene:

$I_{C}=-I_{E}={\frac {I_{C0}}{1-\alpha }}=I_{CB0}$

cioè una corrente di saturazione inversa di collettore quando la base è a circuito aperto cioè non passa corrente $I_{B}=0$ (da notare che è diversa da $I_{C0}$). Quindi non basta che la corrente di base sia nulla perché il transistor sia in interdizione (come si nota anche nel trattare la stessa zona in configurazione di base comune), c'è bisogno di un'ulteriore condizione cioè che: $I_{C}=-I_{C0}$, cioè applicando una tensione $V_{BE}\simeq 0,1\,V$, possiamo effettivamente annullare tutte le correnti.

Prendiamo infine nella regione di saturazione: in questa regione entrambe le giunzioni sono polarizzate direttamente. In tale regione la corrente di collettore è indipendente dalla corrente di base, cioè qualsiasi valore della corrente di base non influisce sulla corrente di collettore.

Infine i ragionamenti fatti per la configurazione a collettore comune sono analoghe di quello a emettitore comune con le opportune variazioni di pedici nelle formule.

Amplificazione

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

Le configurazioni fondamentali degli amplificatori a singolo BJT sono:

• Amplificatore ad emettitore comune
• Amplificatore a base comune
• Amplificatore a collettore comune

Amplificazione a emettitore comune

$A_{v}=-g_{m}R_{c}//R_{l}//r_{o}\;$ dove r_o è la resistenza di uscita del transistor, R_l è la resistenza di carico e R_c la resistenza di collettore. Dato l'alto valore di r_o

$A_{v}=-g_{m}R_{c}//R_{l}\;$.

I condensatori servono ad eliminare i segnali continui.

Modelli del transistor

Modello di Ebers-Moll

• Inserire figura

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 messi 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.

Modello lineare 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 $V_{BE}$. Questo fa in modo che la giunzione p-n conduca permettendo a una corrente più grande ($I_{C}$) di scorrere nel collettore. La corrente totale che scorre in uscita è semplicemente la corrente di emettitore, $I_{E}$. Come tutti i componenti elettronici, la corrente totale in ingresso deve essere uguale alla corrente totale in uscita, quindi:

$I_{E}=I_{B}+I_{C}$

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, il ß, 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.

Modello per piccoli segnali

• Da fare

Voci correlate

• Elettronica
• Transistor
• Amplificatore
• Inseguitore
• Mosfet
• Diodo
• Equazione del diodo ideale di Shockley
• Giunzione p-n
• Effetto Early
• Semiconduttore
• Dispositivi a semiconduttore
• Valvola termoionica
• JFET
• CMUT
• IGBT

Collegamenti esterni

• Altro Tutorial in Italiano sui BJT
• Una introduzione al BJT (Nota: questo sito mostra la corrente come un flusso di elettroni, invece di seguire la convenzione secondo cui la corrente segue il flusso delle lacune, quindi le frecce potrebbero indicare il senso sbagliato)
• Curve caratteristiche
• Analogia con l'acqua