Transistor

      

Il transistor o BJT (bipolar junction transistor) è un componente elettronico che viene prodotto in forma discreta, come componente singolo o in forma integrata, cioè all'interno di circuiti integrati utilizzando per la sua costruzione il silicio, noto come materiale semiconduttore. Viene anche chiamato transistor bipolare perchè in esso, il processo di conduzione coinvolge portatori di carica di entrambe le polarità, positiva e negativa; questo lo distingue da un altro transistore: il JFET : transistor ad effetto campo ( junction field effect transistor) dove la conduzione vede coinvolti portatori di carica di un solo tipo, elettroni o lacune.

Il transistor viene usato in elettronica indifferentemente come componente analogico ( amplificatore di corrente o di tensione ) o logico ( come interruttore) ha come caratteristica principale quella di essere pilotato in corrente, a differenza del JFET che è, invece, comandato in tensione.

E' stato realizzato per la prima volta nel laboratori Bell nel 1948, inizialmente usando come materiale di costruzione un altro materiale semiconduttore: il germanio. Da quel momento e per i successivi decenni il suo utilizzo ha subito incrementi impressionanti giustificato anche dalla messa a punto di tecniche di miniaturizzazione applicate per la sua produzione.

La struttura di un transistor bipolare si riconosce perchè costituita da tre regioni adiacenti ( contigue ) di materiale semiconduttore drogate alternativamente n e p. In questo disegno sono rappresentate le due tipologie di BJT che si possono ottenere: il modello npn ed il modello pnp dove sono evidenziate le giunzioni di collettore J_c e di emettitore J_e.

Il modello npn è più diffuso ma quando si illustra il funzionamento del dispositivo lo si fa normalmente col modello pnp perchè in esso l'andamento delle correnti coincide con il flusso dei portatori di carica positiva, cioè le lacune.

Chi comanda il funzionamento è sempre la giunzione fra base-emettitore J_e che in questo caso viene polarizzata direttamente, mentre la giunzione J_c fra base e collettore viene polarizzata inversamente. Teoricamente è come avere due diodi contrapposti, uno polarizzato direttamente percorso da una corrente diretta e l'altro polarizzato inversamente e ovviamente percorso da una corrente inversa, piccola ma non trascurabile. Complessivamente la situazione è quella rappresentata nel disegno.

In virtù della polarizzazione diretta J_e viene attraversata da una corrente di diffusione I_E costituita prevalentemente da lacune; giunte nella base le lacune si elidono solo parzialmente con gli elettroni liberi.
La ricombinazione dà luogo alla corrente di base I_B che risulta essere molto più piccola di I_E.
Dal punto di vista geometrico lo spessore della base di tipo n è più sottile delle zone di collettore e di emettitore di tipo p; la gran parte delle lacune proseguono verso il terminale di collettore in quantità αI_E ; un valore di α=0,99 è plausibile in condizioni ordinarie. Una seconda corrente I_CBO viene convogliata verso il terminale collettore, ma questa è la corrente inversa di saturazione della giunzione J_c polarizzata inversamente. Assieme ad αI_E la I_CBO andrà a costituire la corrente di collettore I_C.

Per un transistor di tipo npn il comportamento sarà identico ma il verso delle correnti sarà invertito, perchè dovuto al movimento degli elettroni e dunque sarà contrario a quello descritto per il pnp.

ricordando che α≅0,9÷0,99 si trascura I_CBO e si pone:

    da cui       più propriamente si approssima   

h_FE=guadagno di corrente continua ( DC current gain ) con h_FE=100÷1000.
Nella pratica è considerata lecita l'approssimazione β=h_FE .

Dal punto di vista circuitale, il dispositivo può essere diviso in due zone:
• la maglia di ingresso (zona verde) : caratterizzata dalle variabili V_BE ed I_B.
• la maglia di uscita (zona gialla): caratterizzata dalle variabili V_CE ed I_C.

Caratteristiche di ingresso

      

Caratteristiche di uscita

      

Polarizzazione

      

La polarizzazione del transistor, di fatto, viene ottenuta dal circuito precedente andando ad individuare sulle caratteristiche di uscita l'intersezione fra la retta di carico e la curva di uscita corrispondente allo specifico valore di V_BE in atto.

     

• zona attiva: è la zona centrale delle caratteristiche di uscita, detta anche di funzionamento lineare
• zona di saturazione: con bassi valori di V_CE in cui l'insieme delle curve di uscita tendono a confondersi in un unico tratto quasi verticale.
• zona di interdizione: pressochè coincidente con l'asse delle ascisse in cui sia I_B che I_C hanno valori trascurabili.

Se si vuole usare il BJT come amplificatore quindi in modo lineare, il punto di lavoro deve essere scelto opportunamente all'interno della zona attiva.
Se si vuole usare il BJT come interruttore il punto di lavoro può solo commutare fra la zona di interdizione e la zona di saturazione.

Polarizzazione con partitore di base

      

Nei circuiti di polarizzazione, al fine di ottenere una stabilizzazione del punto di lavoro viene introdotta una resistenza sull'emettitore.

Ricordandoci che :   e che     sarà  
sulla maglia di ingresso:

sostituendo la I_E avremo

sulla maglia di uscita la legge di Kirchoff sarà:

sostituendo la I_E. Dato che

   sapendo che    β >>1

Transistor come interruttore

      

Osservando le caratteristiche di uscita di un transistor si riconoscono, dunque,tre zone di funzionamento

-la zona di attiva, dove il transistor viene usato come amplificatore
-la zona di saturazione dove il valore della V_CE è molto basso
-la zona di interdizione, prossimo all'asse delle ascisse, in cui sia I_B che I_C sono trascurabili


A seconda del tipo di applicazione che si vuole costruire possiamo portare il transistor nella zona che vogliamo, semplicemente modificando il valore di I_B.
Dallo schema di figura: si ottiene l'equazione alla maglia di uscita del transistor:

     da cui si ottiene     

Questa relazione può essere rappresentata sul piano delle caratteristiche di uscita con una retta, avente coefficiente angolare negativo (-1/R_C) e che interseca l'asse delle ordinate nel punto V_CC/R_C.
Questa è la retta di carico statica. Le intersezioni saranno dunque

Per una data I_B i valori della V_CE e della I_C del punto P, ottenuto dall'intersezione fra la retta di carico e la caratteristica di uscita, definiscono il punto di funzionamento del dispositivo.

 Zona attiva 

In questa zona, la giunzione base-emettitore, risulta polarizzata direttamente con una tensione tipica di 0,7V, mentre la giunzione base-collettore è polarizzata inversamente.
In questo caso vale ( considerando )  la relazione fondamentale.

 Zona di saturazione  

Aumentando il valore di I_B si vede come il punto P si sposta verso l'alto, il valore di I_C aumenta, mentre V_CE diminuisce fino a raggiungere la zona di saturazione indicata.

 Zona di interdizione  

Diminuendo il valore di I_B il punto di funzionamento P si sposta verso valori di I_C sempre più bassi, finché non giunge nella zona di interdizione. Per ottenere ciò si deve avere I_B ≅ 0 . In pratica V_BE<V_γ la giunzione base-emettitore deve essere polarizzata negativamente . Quindi per interdire un transistor, si porta V_BE a 0 o ad un valore leggermente negativo.

Quando il transistor viene usato come interruttore, il dispositivo viene usato facendolo commutare fra la zona di saturazione e la zona di interdizione. Questo funzionamento può essere indicato dalla figura seguente:

 Stato ON  

Quando viene portato in zona di saturazione, il transistor presenta una VCE molto bassa: esso viene considerato un interruttore chiuso (ON).

 Stato OFF  

Lo stato aperto OFF si ottiene portando il transistor in interdizione , in questo caso infatti I_C come pure I_B, sono considerate nulle. Per ottenere ciò è necessario V_BE<V_γ o pù semplicemente: