TRANSISTORI NPN

fig.1
fig.1

come sono fatti?

Prendiamo un semiconduttore (p. es. Silicio) molto drogato con impurità pentavalenti (N) (p.es. Arsenico), che chiamiamo E (emettitore), e facciamo una giunzione NP con un semiconduttore dello stesso tipo poco  drogato con impurità trivalenti (P) (p.es.  Gallio), che chiamiamo B (Base); prendiamo un altro semiconduttore dello stesso tipo pochissimo drogato con impurità pentavalenti (N), (p-es- Arsenico)  che chiamiamo C (collettore), e facciamo un'altra giunzione con la Base B ; così facendo otteniamo un transistore NPN (vedi fig.1)

L' Emettitore (Silicio) ed il Collettore (Silicio) , entrambi drogati con impurità pentavalenti (Arsenico) , hanno le stesse dimensioni; essi hanno uno spessore molto maggiore di quello della Base che , come abbiamo visto è drogata con impurità trivalenti( Gallio).

Poi vedremo che dimensioni deve avere la base.

Consideriamo la prima giunzione Emettitore-Base.

Cosa succede? 

Succede che i portatori N maggioritari dell'emettitore si diffondono verso la base e qui , nella Base diventano minoritari poiché la Base ha un drogaggio di tipo P.

Nascerà , come abbiamo visto parlando dei semiconduttori, fra la base e l'emettitore, una zona di svuotamento che sarà più estesa nella base che nell'emettitore   poiché la base , come già detto,  ha una densità di drogaggio molto minore.

Già ci rendiamo conto che la base deve estendersi oltre la zona di svuotamento altrimenti quest'ultima  non potrà formarsi.

I portatori N  che sono passati dall'emettitore alla Base sono diventati minoritari e date le ridotte dimensioni ed il ridotto drogaggio della base possono diffondersi  nel collettore superando la giunzione Base- Collettore finché non si sono tutti ricombinati.

La profondità di diffusione è la distanza in cui tutti i portatori N si sono ricombinati.

Perché avvenga questo (che gli elettroni attraversino la giunzione) occorre che lo spessore della Base sia inferiore alla profondità di diffusione.

Allora la base deve avere uno spessore superiore  a quello della zona di svuotamento ed inferiore alla profondità di diffusione. 

fig.1a
fig.1a

in figura 1 c'è la rappresentazione schematica del transistore che non corrisponde però alla realtà, è una semplice schematizzazione.

Nella realtà, uno dei modi per fare un transistore è quello di utilizzare l'impiantazione ionica..

Si prende una barretta di silicio (potrebbe essere anche di germanio) e su di essa con un cannone ionico si sparano degli ioni di impurità pentavalenti o di impurità trivalenti a seconda se voglio fare un drogaggio di tipo n o di tipo p.

Ora , volendo realizzare un transistore p.es. npn  , come rappresentato in fig.1a ,prendo una barretta di Silicio o di germanio e la bombardo con ioni pentavalenti in determinata percentuale ottenendo una zona drogata n,  ora su questa zona sparo col cannone degli ioni trivalenti in percentuale maggiore rispetto a prima  in modo che il drogaggio diventi di tipo p; su questa zona drogata p col cannone sparo in percentuale ancora maggiore  ioni pentavalenti  in modo da farla diventare di tipo n . questa zona la chiamerò drogata di tipo n+ per indicare una zona con un'altissima percentuale di drogaggio.

Ora però il bombardamento ha creato uno sconquasso nella struttura cristallina del silicio o germanio bombardato e bisogna pertanto rimettere un pò d'ordine.

Si usa allora un procedimento temico chiamato di annealing che consiste nel riscaldare ad alta temperatura il silicio o il germanio bombardato con le impurità penta e trivalenti e poi nel raffreddarlo; in questo modo la struttura cristallina si mette a posto e nelle zone drogate avrò gli ioni delle impurità che si porranno in "posizione sostituzionale" andranno cioè ad occupare nel reticolo cristallino la posizione che prima era occupata da un atomo di silicio o di germanio.

Alla fine avrò una zona n poco drogata che chiamerò collettore, al suo interno una zona p con drogaggio maggiore che chiamerò base ed all'interno di quest'ultima una zona n con un drogaggio ancora più alto che chiamerò emettitore.

la schematizzazione di fig.1 corrisponde al rettangolino centrale di fig.1a.

 

come funzionano?

fig.2
fig.2

Prendiamo in considerazione la fig.2 e polarizziamo direttamente la giunzione Emettitore- Base ed inversamente la giunzione Base-collettore. Poniamo che VBE sia pari a o,7V che corrisponde alla differenza di potenziale esistente nella zona di svuotamento, e che è necessario superare perché ci sia conduzione.. Supponiamo inoltre che la polarizzazione VBC< 0,5V da cui VCE > 0,2V ; sono questi i valori della polarizzazione che impediscono che circoli corrente nella giunzione Base-Collettore. Sembrerebbe a prima vista trattarsi di due diodi polarizzati, uno direttamente e l'altro inversamente,; uno permetterebbe il passaggio di corrente attraverso la giunzione Emettitore-Base, l'altro impedirebbe il passaggio della corrente attraverso la giunzione Base-Collettore.

In realtà, considerando il fatto che lo spessore della base e molto ridotto e tenuto conto della percentuale di drogaggio della base e del collettore, moltissimi portatori n attraversano la giunzione Base-Collettore aiutati anche dal fatto che il collettore è polarizzato positivamente rispetto alla Base. Si ha dunque una corrente IE che attraversa la giunzione Emettitore - Base, una corrente IC che attraversa la giunzione Base-Collettore ed una corrente IB molto piccola che dall'emettitore va verso la base . (Vedi Modello di EBERS e  MOLL)

 La corrente di emettitore é:  IE = IB + IC .

Siamo in zona attiva diretta e per questa zona il modello EBERS e MOLL ci dice che 

α= IC/IE   è il guadagno di corrente;

βf = IC/IB  è il parametro di trasferimento che viene di solito chiamato :  hFE

dalla su indicate relazioni risulta :  α = βf /(1+ βf )

Nei  transistor PNP  il valore di α  varia  intorno ai valori 0,,90 e 0,96.

βf  = α/(1-α)   assume  pertanto  valori  compresi fra  fra 10 e 25 circa.

Basta un piccolo incremento della tensione  VBE per fare aumentare  Ie quindi notevolmente IC.

In queste condizioni il transistor si trova in fase attiva è può essere utilizzato come amplificatore.

Se la tensione VBE < 0,5V la giunzione Emettitore -Base non conduce e  se contemporaneamente VBC < 0,5V e quindi  VCE  > 0V anche la giunzione Base-Collettore non conduce  e pertanto il transistor si trova in una situazione di interdizione..

Se invece la tensione VBE = 0,7V , e quindi la giunzione Emettitore-Base conduce,  e risulta  VBC  > 0,5V da cui VCE  < 0,2V , e quindi anche la giunzione Base-Collettore conduce ,   allora il transistor si trova in saturazione.

 

Quanto su esposto è mostrato in fig.3.

 

fig.3
fig.3

Ricapitolando possiamo affermare che un transistore può trovarsi , quando si verificano le condizioni di fig.3 :

 

  • in stato di saturazione,;
  • in zona attiva diretta ;
  • in stato di interdizione .

 

In zona attiva il transistor è un amplificatore , in zona di saturazione il transitor  conduce in zona di interdizione non conduce.

Passando dalla saturazione all' interdizione il transistor funziona da interruttore.

In realtà  esistono altre due regioni di funzionamento come mostrato in fig.3a

Sono la regione attiva inversa e la la regione di saturazione inversa, delle quali abbiamo parlato da qualche altra parte.

 

fig.3a
fig.3a

CURVE CARATTERISTICHE

caratteristica di trasferimento

fig.4
fig.4

In fig. 4a è rappresentato l'andamento della corrente Ic al variare della corrente Ib.

Il diagramma si chiama : Caratteristica di trasferimento.

Piccole variazioni di Ib determinano grandi variazioni di Ic secondo l'equazione : Ic = Ibx hFE.

Ma fino a quanto può variare Ic ?

E' evidente che Ic può variare fino al valore massimo consentito dalla rete esterna.

Nel caso di fig.4b ,  Ic  può raggiungere al massimo il valore di Vcc/Rc.

Come si nota dalla fig.4 all'aumentare di Ib la corrente Ic cresce proporzionalmente fino al valore massimo Isat; contestalmente Vce = Vcc - (Rc x Ic) va diminuendo quasi fino a zero avvicinandosi così alla saturazione .

Quando Ib = 0 il transistore è interdetto;

Quando Ib è compreso fra zero e Ib* il transistor è in zona attiva e vale l'espressione :

Ic = Ib x hfe.

Per Ib > Ib* il transistore è in saturazione.

caratteristica di collettore

fig.5
fig.5

Nella fig.5 è riportato l'andamento di Ial variare di Vce per un determinato valore di Ib.

Si osserva che al variare di Vce con Ib costante la corrente Ic non varia in accordo alla formula :

Ic = Ib x hfe.

In realtà Ic aumenta leggermente perchè hfe non si mantiene costante.

Per Vce < 0,2V a parità di Ib il transistore entra in saturazione (zona grigia di fig.5) .

La zona verde di fig.5 corrisponde all'interdizione mentre quella arancione corrisponde alla zona attiva.

Perché all'aumentare di Vce aumenta hfe

questo fatto lo ha spiegato Early.

Ha fatto questo ragionamento : 

fig.5a
fig.5a

se aumenta Vce ( vedi fig.5a) aumenta il potenziale di sbarramento, aumenta la zona di svuotamento della base,, diminuisce la zona neutra della base, aumenta αf e quindi aumenta βf = hfe Early ha anche detto che, in prima approssimazione, le rette non più parallele si incontrano in un punto dell'asse delle Vce, -Va, chiamato tensione di Early come si nota nella fi. 5b. ,

fig.5b
fig.5b

Nella fig.5b è stata esagerata la pendenza delle rette  Ib .

Dalla figura vediamo che l pendenza della Ib relativa al punto di lavoro Q è:

Iq /(VQ+Va che è circa uguale a Iq/Va infatti VQ è molto più piccolo di Va.

Nei data sheet viene riportato il valore della tensione di Early; serve per determinare la pendenza della retta Ib.

caratteristica di emettitore

fig.6
fig.6

In fig.6 è riportato l'andamento della corrente Ic al variare di Vbe tenendo costante Vce.

Le caratteristica è simile a quella di un diodo.

le curve aventi Vce diverse sono in pratica coincidenti; ciò evidenzia che il funzionamento del transistor in zona attiva non dipende dal valore di Vce.

La variazione di Ic è molto sensibile a piccole  variazione di Vbe e ciò fa del transistor un ottimo amplificatore.

Ic, in zona attiva è quasi uguale a Ie

 

caratteristica di base

fig7
fig7

In fig.7 è riportato l'andamento della corrente Ib al variare di Vbe tenendo costante Vce.

Le caratteristica è simile a quella di un diodo.

Anche in questo caso le curve aventi Vce diverse sono in pratica coincidenti; ciò evidenzia che il funzionamento del transistor in zona attiva non dipende dal valore di Vce.

La variazione di Ib è molto sensibile a piccole  variazione di Vbe e ciò fa del transistor un ottimo amplificatore.

 

 

esempio

fig.7b
fig.7b

Ecco come ho capito le varie zone di funzionamento di un BJT NPN (per il PNP il ragionamento è analogo).

Prendiamo in considerazione il circuito di fig.7b.

possiamo scrivere:

  1. V1= ibxR +0,6;
  2. V2=ic x Rl + Vce

Se V1=0  (riquadro a di fig.7b)  ib =0 e quindi Ic=0  ricordando che Ic = hfe x ib;

in questo caso la lampadina non si accende perché il transistor è spento ; siamo nella situazione di INTERDIZIONE.

Se applico una tensione di 4 V (riquadro b di fig.7bin modo da polarizzare direttamente la giunzione BE nascerà una corrente ib = (4 - 0,6)/2000 = 0,0017 A (vedi formula 1).

Supponendo che il BJT abbia hfe=100 ottengo : I= 0,0017 X 100 = 0,17A;

Ponendo che la resistenza della lampadina sia pari  24 Ω la lampadina sarà sottoposta ad una tensione  Vl= 0,17 x 24 =4,08 V, poiché la lampadina è da 12 V , si accenderà tenuemente.

Se ora applico (riquadro c di fig.7b) una tensione V1=6V la corrente I diventerà pari a : Ib= (6 - 0,6)/2000 = 0,0027 A (vedi formula 1); conseguentemente la corrente IC diventerà: ic0,0027 x 100 = 0,27 A e la lampadina sarà sottoposta ad una di 6,48V e la sua luce diventerà più brillante.

Nei casi illustrati nei riquadri b e c di fig.7b il BJT lavora in regione ATTIVA infatti la giunzione BE è polarizzata in modo diretto la tensione Vce risulta maggiore di 0,2 V ed a piccole variazioni di ib corrispondono grandi variazioni di ic.

Se ora aumento la tensione V1 al valore V1= 10,6V la corrente ib diventerà pari a:  ib(10,6 - 0,6)/2000 = 0,0027 A (vedi formula 1); conseguentemente la corrente ic diventerà: ic0,0027 x 100 = 0,5 A e la lampadina sarà sottoposta ad una di 12V e la sua luce raggiungerà la massima intensità in quanto sottoposta alla massima tensione di 12 V ; in questo caso la tensione Vce è pari a zero ( é come se avessi unito collettore ed emettitore con un conduttore ) siamo nella situazione di SATURAZIONE.

E' inutile aumentare ulteriormente la tensione V1 e quindi la corrente Ib; la corrente Ic non aumenterà più ma rimarrà costante al valore di saturazione.

TRANSISTORI PNP

come sono fatti?

fig.8
fig.8

Prendiamo un semiconduttore (p. es. Silicio) molto drogato con impurità trivalenti (P) (p.es. Gallio), che chiamiamo E (emettitore), e facciamo una giunzione NP con un semiconduttore dello stesso tipo poco  drogato con impurità pentavalenti (N) (p.es.  Arsenico) , che chiamiamo B (Base); prendiamo un altro semiconduttore dello stesso tipo pochissimo drogato con impurita' trivalenti (P), (p-es- Gallio)  che chiamiamo C (collettore), e facciamo un'altra giunzione con la Base B ; così facendo otteniamo un transistor PNP (vedi fig.8)

L' Emettitore (Silicio) ed il Colletore (Silicio) , entrambi drogati con impurità trivalenti (Gallio) , hanno le stesse dimensioni; essi hanno uno spessore molto maggiore di quello della Base che , come abbiamo visto è drogata con impurità pentavalenti (Arsenico).

Poi vedremo che dimensioni deve avere la base.

Consideriamo la prima giunzione Emettitore-Base.

Cosa succede? 

Succede che i portatori P maggioritari dell'emettitore si difondono verso la base e qui , nella Base diventano minoritari poichè la Base ha un drogaggio di tipo N.

Nascerà , come abbiamo visto parlando dei semiconduttori, fra la base e l'emettitore, una zona di svuotamento che sarà più estesa nell'emettitore che nella base  poichè questa, come già detto,  ha una densità di drogaggio molto minore.

Già ci rendiamo conto che la base deve estendersi oltre la zona di svuotamento altrimenti quest'ultima  non potrà formarsi.

I portatori P  che sono passati dall'emettitore alla Base sono diventati minoritari e date le ridotte dimensioni ed il ridotto drogaggio della base possono diffondersi  nel collettore superando la giunzione Base- Collettore finchè non si sono tutti ricombinati.

La profondità di diffusione è la distaza in cui tutti i portatori P si sono ricombinati.

Perchè avvenga questo occorre che lo spessore della Base sia inferiore alla profondità di diffusione.

Allora la base deve avere uno spessore superiore  a quello della zona di svuotamento ed inferiore alla profondità di diffusione.

 

 

come funzionano?

fig.9
fig.9

Prendiamo in considerazione la fig.9 e polarizziamo direttamente la giunzione Emettitore- Base ed inversamente la giunzione Base-collettore.

Poniamo che VEB sia pari a o,7V che corrisponde alla differenza di potenziale esistenza nella zona di svuotamento,e che è necessario superare perchè ci sia conduzione..

Supponiamo inoltre che la polarizzazione VCB<0,5V da cui VEC> 0,2V ; sono questi i valori della polarizzazione che impediscono che circoli corrente nella giunzione Base-Collettore.

Sembrerebbe a prima vista trattarsi di  due diodi polarizzati, uno direttamente e l'altro inversamente,; uno permetterebbe il passaggio di corrente attraverso la giunzione Emettitore-Base, l'altro impedirebbe il passaggio della corrente attraverso la giunzione Base-Collettore.

In realtà, considerando il fatto che lo spessore della base e molto ridotto e tenuto conto della  percentuale di drogaggio della base e del collettore, Moltissimi portatori P attraversano la giunzione Base-Collettore aiutati anche dal fatto che il collettore è polarizzato negativamente rispetto alla Base.

Si ha dunque una corrente IE che attraversa la giunzione Emettitore -Base, una corrente IC che attraversa la giunzione Base-Collettore  ed una corrente IB molto piccola che dall'emettitore va verso la base  (Vedi Modello di EBERS - MOLL).

La corrente di emettitore é:  IE = IB +IC .

Poniamo:

α = IC/IE  e lo chiamiamo guadagno di corrente;

β = IC/IB  e lo chiamiamo parametro di trasferimento che viene di solito chiamato :  hFE

dalle su indicate relazioni risulta :  α = β/(1+ β)

Nei  transistor PNP  il valore di α  varia  intorno ai valori 0,,90 e 0,96.

β = α/(1-α)   assume  pertanto  valori  compresi  fra 10 e 25 circa.

Basta un piccolo incremento della tensione  VBE per fare aumentare  Ie quindi notevolmente IC.

In queste condizioni il transistor si trova in fase attiva è può essere utilizzato come amplificatore.

Se la tensione VEB < 0,5V la giunzione Emettitore -Base non conduce e  se contemporaneamente VCB < 0,5V e quindi  VEC  > 0V anche la giunzione Base-Collettore non conduce  e pertanto il transistor si trova in una situazione di interdizione .

Se invece la tensione VEB = 0,7V , e quindi la giunzione Emettitore-Base conduce,  e risulta  VCB  > 0,5V da cui VEC  < 0,2V , e quindi anche la giunzione Base-Collettore conduce ,   allora il transistor si trova in saturazione.

Quanto su esposto è mostrato in fig.10.

fig.10
fig.10

Ricapitolando possiamo affermare che un transistore può trovarsi , quando si verificano le condizioni di fig.10 :

 

  • in stato di saturazione,;
  • in zona attiva ;
  • in stato di interdizione .

 

In zona attiva il transistor è un amplificatore , in zona di saturazione il transitor  conduce in zona di interdizione non conduce.

Passando dalla saturazione all' interdizione il transistor funziona da interruttore.

In realtà  esistono altre due regioni di funzionamento come mostrato in fig.10a

Sono la regione attiva inversa e la la regione di saturazione inversa, delle quali abbiamo parlato da qualche altra parte.

 

fig.10a
fig.10a

CURVE CARATTERISTICHE

caratteristica di trasferimento

fig.11
fig.11

In fig. 11a è rappresentato l'andamento della corrente Ic al variare della corrente Ib.

Il diagramma si chiama : Caratteristica di trasferimento.

Piccole variazioni di Ib determinano grandi variazioni di Ic secondo l'equazione : Ic = Ibx hFE.

Ma fino a quanto può variare Ic ?

E' evidente che Ic può variare fino al valore massimo consentito dalla rete esterna.

Nel caso di fig.11b ,  Ic  può raggiungere al massimo il valore di Vcc/Rc.

Come si nota dalla fig.4 all'aumentare di Ib la corrente Ic cresce proporzionalmente fino al valore massimo Isat; contestalmente Vce= Vcc - (RC x IC) va diminuendo quasi fino a zero avvicinandosi così alla saturazione .

Quando Ib = 0 il transistor è interdetto;

Quando Ib è compreso fra zero e Ib* il transistor è in zona attiva e vale l'espressione :

Ic = Ib x hfe.

Per Ib > Ib* il transistor è in saturazione.

caratteristica di collettore

fig.12
fig.12

Nella fig.12 è riportato l'andamento di Ial variare di Vec per un determinato valore di Ib.

Si osserva che al variare di Vec con Ib costante la corrente Ib non varia in accordo alla formula :

Ic = Ib x hfe.

In realtà Ic aumenta leggermente perchè hFE non si mantiene costante.

Per Vec < 0,2V a parità di Ib il transistor entra in saturazione (zona grigia di fig.12) .

La zona verde di fig.12 corrisponde all'interdizione mentre quella arancione corrisponde alla zona attiva.

 

caratteristica di emettitore

fig.13
fig.13

In fig.13 è riportato l'andamento della corrente Ic al variare di Veb tenendo costante Vec.

Le caratteristica è simile a quella di un diodo.

le curve aventi Vec diverse sono in pratica coincidenti; ciò evidenzia che il funzionamento del transistor in zona attiva non dipende dal valore di Vec.

La variazione di Ic è molto sensibile a piccole  variazione di Veb e ciò fa del transistor un ottimo amplificatore.

Ic, in zona attiva è quasi uguale a Ie

 

caratteristica di base

fig.14
fig.14

In fig.14 è riportato l'andamento della corrente Ib al variare di Veb tenendo costante Vec.

Le caratteristica è simile a quella di un diodo.

Anche in questo caso le curve aventi Vec diverse sono in pratica coincidenti; ciò evidenzia che il funzionamento del transistor in zona attiva non dipende dal valore di Vec.

La variazione di Ib è molto sensibile a piccole  variazione di Veb e ciò fa del transistor un ottimo amplificatore.