BJT

BJT (Bipolar Junction Transistor):


E' un dispositivo attivo a semiconduttore realizzato, essenzialmente, ponendo in contatto tre regioni di semiconduttore in modo da formare due giunzioni p-n affiancate.
Analizziamo un BJT npn:
il punto di partenza è una “fetta” di silicio (che è il semiconduttore principalmente utilizzato per la realizzazione di questi dispositivi) drogato di tipo n (con concentrazione il più possibile bassa);
all’interno di questa fetta, che costituisce la regione cosiddetta di collettore, viene effettuata una prima diffusione al fine di creare una regione di tipo p che prende il nome di base (la concentrazione di drogante è in questo caso crescente andando dall’interfaccia con il collettore verso l’interfaccia con
l’emettitore);
all’interno della regione di base, viene effettuata una ulteriore diffusione, al fine di creare una regione, nuovamente di tipo n, che prende il nome di emettitore (la concentrazione di drogante è questa volta maggiore rispetto alle altre due regioni);
in corrispondenza di queste tre regioni vengono infine realizzati tre contatti ohmici che servono ad applicare, ai capi di ciascuna regione, le tensioni di polarizzazione che consentono di impiegare il dispositivo nei normali circuiti elettronici.

Una visione schematica:



L’effetto transistore
Il motivo fondamentale, alla base della struttura di un BJT, è quello per cui è possibile controllare la corrente che fluisce attraverso una delle due giunzioni pn che costituiscono il dispositivo agendo sulla tensione applicata alla giunzione adiacente: questo è appunto il concetto di effetto transistore.

Più nel dettaglio, questo effetto si concretizza nel modo seguente:

  •  consideriamo la giunzione pn base-collettore e supponiamo che essa sia polarizzata inversamente con una tensione VBC<0;


  •  il fatto che la giunzione sia polarizzata inversamente ci dice che essa conduce una corrente bassissima, praticamente nulla, dovuta al movimento dei portatori minoritari che la attraversano (elettroni dalla base nel collettore e lacune dal collettore nella base);


  • tuttavia, se affianchiamo, alla regione di base, la regione di emettitore, drogata di tipo n, e polarizziamo direttamente la giunzione base(p)-emettitore(n) che si è adesso formata, abbiamo una iniezione di elettroni (portatori minoritari) nella base e quindi la corrente attraverso la giunzione base-collettore risulta adesso di gran lunga maggiore, proprio perché la popolazione di elettroni nella base è considerevolmente aumentata. Questo è il principio, effettivamente geniale, su cui si basa il funzionamento del BJT.


Regioni di funzionamento

Generalmente, si distinguono quattro distinte regioni di funzionamento di un BJT, in dipendenza della polarizzazione imposta alle due giunzioni che costituiscono il transistore.

Con riferimento ad un BJT npn, le 4 regioni di funzionamento sono le seguenti:

  • si dice che il BJT lavora in saturazione quando entrambe le giunzioni sono polarizzate in modo diretto: in questa condizione di funzionamento, ci sono elettroni (portatori maggioritari) che fluiscono dalle regioni di emettitore e di collettore verso la base e lacune che, al contrario, fluiscono dalla base verso emettitore e collettore; da un punto di vista circuitale, il BJT si comporta approssimativamente come un interruttore nello stato CHIUSO;


  •  si dice che il BJT lavora in interdizione quando invece entrambe le giunzioni sono polarizzate inversamente: in questo caso, non ci sono flussi apprezzabili di portatori di carica maggioritari, per cui le correnti in gioco sono molto piccole; dal punto di vista circuitale, abbiamo un interruttore nello stato APERTO, nel senso che non fluisce corrente (o quasi) a prescindere dalla tensione applicata;


  • si dice che il BJT lavora in Zona Attiva Diretta quando la giunzione base-emettitore è polarizzata direttamente mentre quella base-collettore è polarizzata inversamente: in questa situazione, ci sono elettroni che fluiscono dall’emettitore nella base e, successivamente, dalla base nel collettore, e poi lacune che fluiscono dalla base verso l’emettitore (in modo non consistente, visto che, pur trattandosi dei portatori maggioritari nella base, il drogaggio della base stessa è di gran lunga inferiore a quella dell’emettitore) e dal collettore verso la base (in quantità praticamente nulla visto che le lacune sono i portatori minoritari nel collettore); questa condizione di funzionamento è quella che viene usata quando il BJT viene impiegato in amplificazioni lineari.


  • infine, si dice che il BJT lavora in Zona Attiva Inversa quando la giunzione base-emettitore è polarizzata inversamente e quella base-collettore direttamente: si tratta di una condizione di funzionamento duale rispetto a quella di prima, in quanto, adesso, il collettore si comporta da emettitore e, viceversa, l’emettitore si comporta da collettore.


Funzionamento in ZAD

L’uso principale che viene fatto di un BJT (come per la maggior parte degli altri transistori) è come amplificatore di segnali. Affinché un BJT funzioni di amplificatore, è necessario che esso lavori in ZAD (Zona Attiva Diretta). In tale condizione di polarizzazione, si hanno i seguenti flussi netti di corrente
  •  elettroni iniettati dall’emettitore nella base e poi dalla base nel collettore;
  •  lacune iniettate dalla base nell’emettitore;
  •  lacune iniettate dal collettore nella base.



La prima osservazione da fare riguarda i due flussi di lacune: infatti, mentre il flusso di lacune dalla base nell’emettitore è consistente in virtù del fatto che le lacune sono i portatori maggioritari nella base, è invece del tutto trascurabile il flusso di lacune dal collettore nella base, visto che le lacune sono i portatori minoritari nel collettore. Di conseguenza, in ZAD si hanno fondamentalmente due flussi di corrente: da un lato, elettroni che vanno dall’emettitore al collettore passando per la base; dall’altro, lacune che vanno dalla base nell’emettitore. Esiste, del resto, un ulteriore flusso di corrente da considerare, dovuto alla ricombinazione degli elettroni con le lacune nella base: dobbiamo tenere conto di questo in quanto la ricombinazione comporta che non tutti gli elettroni che passano dall’emettitore nella base riescono poi effettivamente a raggiungere il terminale di collettore.


Premesso questo, valutiamo la direzione di queste correnti, tenendo conto che, per convenzione, una corrente che fluisce attraverso il terminale di un dispositivo elettronico va presa positiva se entra nel dispositivo e negativa se vi esce:

  • attraverso il terminale di collettore scorre una corrente, convenzionalmente positiva, pari alla corrente InE di elettroni che fluiscono da emettitore a collettore e che non sono soggetti alla ricombinazione nella base;
  • attraverso il terminale di emettitore scorre una corrente, convenzionalmente negativa, somma di tre componenti: la componente InE dovuta agli elettroni che vanno da emettitore a collettore, la componente IpE dovuta alle lacune iniettate dalla base nell’emettitore e, infine, la componente IrB dovuta alla ricombinazione degli elettroni nella base;
  • attraverso il terminale di base scorre infine una corrente, convenzionalmente positiva, somma di due componenti: la corrente IpE di lacune iniettate dalla base nell’emettitore e la corrente IrB di ricombinazione di elettroni nella base.
Quindi, per un BJT n-p-n polarizzato in ZAD, la corrente di emettitore è negativa, mentre quelle di collettore e di base sono positive


caratteristica statica di uscita:



In questo grafico è possibile individuare le seguenti regioni di funzionamento del BJT:

  • la regione di interdizione, corrispondente ad entrambe le giunzioni polarizzate inversamente, corrisponde alla regione adiacente all’asse delle ascisse, in quanto si tratta di una regione nella quale la corrente che fluisce al collettore (ma anche all’emettitore e alla base) è praticamente nulla;


  •  la regione di saturazione, corrispondente ad entrambe le giunzioni polarizzate direttamente, è quella adiacente all’asse delle ordinate;


  •  la zona attiva diretta, invece, racchiude il resto del diagramma ed è evidentemente una zona estremamente vasta.



Possiamo fare inoltre una serie di importanti osservazioni:
  • la prima riguarda il fatto che il termine “saturazione” indica, nel BJT, una cosa del tutto diversa rispetto ai FET: per questi ultimi, infatti, si parla di “regione di saturazione” per riferirsi alla regione in cui la corrente è approssimativamente costante con la tensione, mentre decisamente lo stesso non vale per i BJT, per i quali è la zona attiva diretta quella in cui è possibile ritenere la corrente costante con la tensione;
  • sempre a proposito della regione di saturazione, essa corrisponde a quei valori della Vce inferiori ad un certo valore convenzionalmente indicato con Vce,sat; questo valore è funzione delle correnti di base e di collettore ed è possibile trovare una sua espressione, in funzione di tali correnti, utilizzando il modello di Ebers-Moll. Aggiungiamo inoltre che questa tensione Vce,sat assume generalmente valori non superiori a 0.2V, il che consente, spesso, di ritenerla nulla, ossia di assumere che, quando il BJT è in saturazione, non ci sia alcuna caduta di tensione tra collettore ed emettitore;

Transcaratteristica in ZAD

Un’altra curva molto importante per studiare il comportamento di un BJT è quella della corrente di uscita IC in funzione della tensione di ingresso VBE; questa curva prende il nome di transcaratteristica e, nell’ipotesi che il dispositivo lavori in ZAD, è fatta approssimativamente nel modo seguente:



Si nota l’analogia di questa curva con la caratteristica I-V di un diodo. La cosa non è casuale, ma dipende essenzialmente dal fatto che un BJT, che si vuole polarizzare in ZAD, comincia a condurre corrente apprezzabile, mentre la giunzione base-collettore è polarizzata inversamente, solo a partire dal momento in cui si accende la giunzione di emettitore: ecco, quindi, che la corrente di collettore è nulla (o quasi) finché la giunzione di emettitore è spenta, mentre, non appena la Vbe supera il valore V γ di circa 0.5V, la suddetta giunzione si accende, si innesca l’effetto transistore e quindi il dispositivo va in conduzione.


Transconduttanza

Anche per i BJT, così come per i FET, è possibile definire un parametro, che prende il nome di transconduttanza, che quantifica le variazioni della corrente di uscita dovute a variazioni della tensione in ingresso:



Si tratta sempre di un parametro differenziale che viene calcolato nell’intorno del punto di lavoro del dispositivo, ossia linearizzando la transcaratteristica nell’intorno di tale punto di lavoro e valutando la pendenza della retta così ottenuta.









Per la stesura del seguente articolo si è fatto uso degli appunti di Sandro Petrizzelli
Per maggiori informazioni potete dare un'occhiata al suo sito:
http://users.libero.it/sandry/


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