7 - IL TRANSISTOR BIPOLARE

    In questo capitolo:

    • 1 - Il transistor bipolare (Bjt)

    Indice – Glossario - Bibliografia - Elenco dei simboli - ï ñð

      7.1 - Il transistor bipolare ( Bjt )

    Il principio di funzionamento di una giunzione e le sue proprietà rettificatrici, sono alla base del funzionamento dei transistori bipolari (Bipolar Junction Transistor - Bjt) che hanno rivoluzionato letteralmente il mondo dell'elettronica dal 1948, quando Bardeen e altri lo hanno realizzato per la prima volta negli Stati Uniti.

    Il Bjt è composto da un sandwich di semiconduttori di opposto drogaggio; avremo così transistori N-P-N o P-N-P. Prendiamo il caso di un transistor N-P-N: il fenomeno di formazione della barriera di potenziale e della zona di svuotamento, si ripete, naturalmente, per le due giunzioni che costituiscono il dispositivo.

    La situazione di equilibrio, senza alcuna polarizzazione esterna, è illustrata in figura

    Fig. 7.1.1 - Viene illustrata la situazione delle giunzioni base-emettitore e base -collettore per un Bjt N-P-N, senza alcuna polarizzazione esterna. Non ci può essere flusso di cariche.

    L'estremità più drogata, cui compete il compito di fornire i portatori ci carica, viene indicata come "emettitore". La zona centrale, molto meno drogata, e di tipo opposto rispetto alla precedente, è particolarmente sottile ed è indicata come "base". L'altra estremità, drogata dello stesso tipo dell'emettitore, ma in misura minore, ha il compito di raccogliere le cariche provenienti dall'"emettitore" e viene perciò indicata come "collettore".

    Il funzionamento normale di un transistor prevede la polarizzazione diretta della giunzione "base-emettitore", e la polarizzazione inversa della giunzione "base-collettore". La situazione delle giunzioni, in queste condizioni, è illustrata in fig.

    Fig. 7.1.2 - La polarizzazione diretta della giunzione base-emettitore, in un Bjt, spianerà le bande, da questa parte, per cui gli elettroni potranno fluire dall'emettitore alla base, dove si ricombineranno, solo in minima parte, con le lacune presenti, per poi diffondere verso il collettrore dove verranno raccolti dalpotenziale favorevole. Le lacune presenti in base si muoveranno, invece, dalla base verso l'emettitore.

    Secondo quanto già illustrato nel caso di una giunzione semplice quando la tensione esterna, applicata tra base ed emettitore, equilibra l'effetto del campo elettrico interno dovuto agli ioni fissi nella zona di svuotamento, le bande tendono ad appianarsi, per cui sarà facile per gli elettroni passare dall'emettitore alla base, e per le lacune procedere in senso inverso. Solo una minima parte di coppie si ricombinerà, per due motivi essenziali di diversa natura.

    Il primo è il minor drogaggio della base rispetto all'emettitore, per cui il numero di lacune sarà di molto inferiore a quello degli elettroni. L'altro è dovuto al fenomeno della diffusione: gli elettroni che raggiungono la base, inizialmente tenderanno ad accumularsi in modo non uniforme, per cui inizieranno a diffondere verso il collettore.

    Se la zona di base è sottile, praticamente di spessore inferiore alla lunghezza di diffusione, la maggior parte degli elettroni raggiungerà la zona di svuotamento esistente tra base e collettore, salvo quelli che si perdono per strada per ricombinazione. Quì essi trovano la strada "in discesa", cioè una polarizzazione ad essi favorevole, per cui verranno tutti raccolti dal collettore. L'effetto complessivo delle lacune, in questi dispositivi, può essere trascurato se il drogaggio della base è basso.

    Per i transistori P-N-P possiamo ripetere lo stesso discorso per quanto riguarda il moto delle lacune.

    Da quanto detto appare evidente come il potenziale di base, che regola il flusso delle cariche dall'emettitore al collettore, abbia il ruolo fondamentale di valvola di controllo della corrente complessiva in un transistor. Le piccole correnti erogate della base, dovute alla ricombinazione di cariche in questa zona, riescono a controllare correnti molto maggiori, determinando l'effetto amplificativo che è alla base del funzionamento dei Bjt.

    La corrente di emettitore è dovuta non solo agli elettroni che fluiscono dall'emettitore verso la base, ma anche alle lacune che fluiscono dalla base verso l'emettitore. Chiamando InE e IpE queste correnti, possiamo esprimere la corrente complessiva IE come

    IE = InE + IpE

    Una frazione di elettroni si ricombinerà, nella regione di base, con un certo numero di lacune che dovranno essere rimpiazzate con la corrente di base. La ricombinazione nella base ridurrà, quindi, il numero di elettroni che riusciranno a raggiungere il collettore a costituire la corrente di collettrore Ic (Se si trascura l'effetto dovuto alle cariche minoritarie nella giunzione base-collettore, che sappiamo polarizzata inversamente).

    In definitiva possiamo esprimere la corrente complessiva di collettore ICcome:

    IC = a I E

    dove a è un coefficiente, prossimo ad uno, dato dal prodotto di due fattori:

    aT è il fattore di trasporto della base, espressa da

    Abbiamo indicato con IRB la corrente che "scompare" nella base per ricombinazione.

    g , invece, rappresenta l'efficienza di emettitore, esprimibile tramite:

    cioè il rapporto della corrente di emettitore dovuta agli elettroni, con quella complessiva dovuta anche alle lacune.

    Dalle relazioni precedenti si può scrivere, allora, ricordando che in ogni caso IC + IB = IE

    e ricavando IC

    Compare finalmente la relazione fondamentale che regola il funzionamento del Bjt.

    Il rapporto fra la corrente di collettore IC e quella di base IB costituisce uno dei fattori più importanti, che caratterizzano il Bjt, cioè il guadagno statico di corrente hFE .Questo parametro coincide con b quando si trascura la corrente dovuta alle cariche minoritarie nella giunzione base-collettore.

    La relazione IC = bIB indica, essenzialmente, che la corrente di collettore dipende solo dalla corrente di base, e non dal potenziale esistente sul collettore stesso. Questi dispositivi vengono indicati anche come "dispositivi a controllo di corrente".

    In altri dispositivi (JFET e MOSFET) la corrente del dispositivo è regolata da una tensione di controllo apllicata al "gate", per cui vengono indicati come "dispositivi a controllo di tensione".

    C'è da notare come l'attraversamento della base, da parte delle cariche provenienti dall'emettitore, essendo dovuto al fenomeno della diffusione, richiede un tempo che dipende dallo spessore della base stessa. Questo tempo è fondamentale per il comportamento dei Bjt alle alte frequenze.

    Si pensi di applicare un campo elettrico alternato tra base ed emettitore; se la polarità del campo si inverte prima che le cariche abbiano raggiunto il collettore, sarà impossibile rilevare variazioni nella corrente di collettore e verrà meno la funzione di controllo esercitata dal potenziale di base.

    Tutto questo comporta un limite per il funzionamento dei Bjt ad alte frequenze.

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