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Il transistor. dispositivo a semiconduttore con almeno 3 elettrodi che sfrutta le proprietà della giunzione p-n. inventato da Bardeen, Brattain and Shockley,

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1 Il transistor

2 dispositivo a semiconduttore con almeno 3 elettrodi che sfrutta le proprietà della giunzione p-n. inventato da Bardeen, Brattain and Shockley, ai Bell Laboratories, nel 1948 Premio Nobel nel 1956 strutture diverse per diverse applicazioni estrema miniaturizzazione sviluppo di nuove applicazioni (memorie ad alta densità, computer veloci, computer sempre + piccoli può essere schematizzato come un regolatore o generatore di corrente o di tensione può svolgere sia la funzione di switch (commutatore o interruttore) che quella di amplificatore esistono strutture diverse elaborate per diverse applicazioni si possono individuare 2 grandi categorie di transistor in base al verso di scorrimento della corrente rispetto alla giunzione: –transistor bipolari a giunzione (BJT) – corrente perpendicolare alla giunzione –transistor ad effetto di campo (JFET o MOSFET) – corrente parallela alla giunzione

3 emettitore (drogaggio elevato) base (drogaggio basso) spessore stretto collettore (drogaggio intermedio) p p n n n p due diverse configurazioni: pnp oppure npn base = elettrodo di controllo (switch) piccola variazione della corrente di base rapido cambiamento nellapparato Transistor Bipolare a giunzione (BJT)

4 B C E ICIC IEIE IBIB npn B C E ICIC IEIE IBIB pnp Il verso della corrente (convenzionalmente la direzione dei portatori di carica positivi) è indicato dalla freccia nel terminale dellemettitore. Simboli convenzionali per i BJT

5 n n p E C B due giunzioni p-n che condividono uno strato di semiconduttore intermedio drogato due diodi contrapposti: emettitore- base base - collettore distribuzione della carica elettrica campo elettrico potenziale elettrico EBBC EBBC EBBC in assenza di polarizzazione esterna

6 se polarizziamo direttamente (forward) la giunzione emettitore-base gli elettroni (le lacune) che sono portatori maggioritari, passano nella base dove diventano portatori minoritari. npn pnp qui la polarizzazione inversa (reverse) della giunzione base-collettore trascina gli elettroni (le lacune) che sono minoritari, verso il collettore, dove sono nuovamente portatori maggioritari e rappresentano la componente prevalente della corrente di collettore. a causa dello spessore sottile della base pochi elettroni (le lacune) si ricombinano con le lacune (gli elettroni) della base e in gran parte raggiungono laltra giunzione, cioè il collettore. A questo punto il campo elettrico dovuto alla polarizzazione inversa accelera gli elettroni (le lacune) nella regione di collettore. questo significa che la corrente di collettore sarà poco diversa da quella di emettitore e si avrà I B = I E - I C la corrente di base I B rimpiazza le lacune (gli elettroni) della base che si sono ricombinati con gli elettroni (le lacune) dallemettitore e rappresenta un frazione piccola della corrente di emettitore.

7 Possiamo descrivere il comportamento del transistor (consideriamo per esempio un npn) anche da un altro punto di vista la corrente che attraversa la giunzione EB è costituita quasi esclusivamente da elettroni che dallemettitore arrivano nella base. Le lacune che fanno il percorso inverso sono poche perché lemettitore è molto più drogato della base. gli elettroni nella base hanno una bassa probabilità di ricombinarsi con le lacune perché la loro lunghezza di diffusione è maggiore dello spessore della base. se indichiamo con (1- ) la probabilità di cattura di un elettrone da parte di una lacuna nella base ( con 1) un elettrone ha una probabilità ~1 di raggiungere la giunzione BC e di attraversarla, essendo un portatore minoritario. quando un elettrone viene catturato da una lacuna della base, la batteria che alimenta la base provvede a rimpiazzare la carica libera perduta tramite la corrente di base. Poiché la ricombinazione ha una probabilità di (1- ), anche la corrente di base si potrà scrivere come I B ~ (1- ) I E

8 corrente di collettore: I C (è la corrente che scorre effettivamente nel transistor) due contributi: 1 - elettroni che, immessi dallemettitore nella base, riescono a passare nel circuito di collettore : I C ~ I E 2 – corrente inversa del diodo BC, I o, dovuta alla polarizzazione inversa I C = I C + I o = I E + I o I B + I C = I E I C = I o + I E = I o + I B + I C I C = [ /(1- )] I B + [1/(1- )] I o I C = I B + [1/(1- )] I o I B /(1- ) = del transistor ~ 10 ÷ 10 2 ATTENZIONE!!! I o è molto piccolo ma è moltiplicato per un fattore ~ ~ 10 ÷ 10 2 I o aumenta molto con la temperatura non può essere sempre trascurato.

9 In conclusione: quando il transistor è in zona attiva (giunzione BE diretta; giunzione BC inversa) I C = I B I E =I C +I B = I C + I C / I C - può variare molto da un transistor allaltro anche se i transistor sono nominalmente uguali; - varia con il punto di lavoro, cioè con le tensioni applicate al transistor - varia con la temperatura Il parametro viene indicato con il simbolo h FE (se ci si riferisce a grandezze variabili si usano pedici minuscoli h fe ) e rappresenta il guadagno in corrente del transistor.

10 Caratteristiche di uscita del transistor descrivono la dipendenza della corrente di collettore dalla differenza di potenziale tra collettore ed emettitore V CE famiglia di curve corrispondenti a diversi valori della I B 3 regioni distinte: a)zona attiva b)zona di saturazione c) zona di interdizione

11 a)zona attiva: rette quasi orizzontali. I B e I C approx proporzionali. BJT utilizzato come amplificatore b) zona di interdizione: I C =0. V BE << V diodo BE polarizzato invers. ATTENZIONE: diodo BC inverso. c) zona di saturazione: I C << I B ; in questa zona V CE ~ 0÷0.2 V e le giunzioni sono entrambe polarizzate direttamente Se diodo BC diretto c è uno scambio dei ruoli tra E e C d) zona attiva inversa I E = R I B dove R << definito per il transistor in zona attiva diretta polarizzazione delle due giunzioni: Base – Emettitore Base - Collettore BE diretta BC diretta saturazione BE diretta BC inversa attiva diretta BE inversa BC inversa cutoff BE inversa BC diretta attiva inversa BE BC

12 transistor in zona attiva (V BE >V, V C >V B ): amplificatore di corrente piccola corrente iniettata in base controlla una corrente molto maggiore che, in un transistor npn, attraversa il transistor nel verso C-B-E VoVo configurazione ad emettitore comune ~ in zona attiva la giunzione BE è polarizzata direttamente V BE ~ 0.6 V ~ V nel circuito della figura: V BE =V B -R b I B Supponiamo che V B = 2V e R b = 28 k I B =[ ( )/28]mA = 0.05 mA Se h FE = = 100 I C = 5 mA e I E = 5.05 mA Se V CE = 10 V, R C =1 k la tensione sul collettore è V o = V CE –I C R C =10 -5 = 5V Aggiungiamo in serie a V B una tensione variabile (

13 transistor in saturazione giunzioni BE e BC polarizzate direttamente V C ~ V E ~ V se V CE ~ 0 anche V o ~ 0 configurazione ad emettitore comune VoVo transistor interdetto giunzioni BE e BC polarizzate inversamente : V BE

14 RIASSUMENDO: un transistor può essere adoperato come elemento di un circuito logico facendolo lavorare nello stato di saturazione (V CE = 0) o di interdizione. come amplificatore in 3 diverse configurazioni: - a emettitore comune amplificatore di tensione (invertente) con buon guadagno anche in I - a base comune amplificatore di tensione (non invertente) con basso guadagno in I - a collettore comune elevato guadagno in corrente ma nessun guadagno in tensione

15 Infine: perché le curve caratteristiche nella zona attiva non sono rette orizzontali ma sono inclinate? zona attiva : BE polarizzata direttamente è la frazione di elettroni che dallemettitore passa nel collettore, dopo avere attraversato la base ( ~ 1, poiché la base è poco drogata ed è stretta) molto grande. Riducendo ulteriormente la larghezza della base, la probabilità che un elettrone venga catturato da una lacuna nella base, (1- ), diminuirà ulteriormente, aumenterà e così. Aumentando la polarizzazione inversa della giunzione BC si allarga la zona di svuotamento del diodo BC e diminuisce la larghezza effettiva della base. Cioè diminuisce la probabilità che un elettrone venga catturato nella base (1- ) diminuisce aumenta e aumenta se passa da a (+ 1), varia da 199 a 249 (+ 25 %) In conclusione: per I B costante il guadagno del transistor aumenta aumentando V CE le rette non sono orizzontali ma inclinate

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17 Analogia idraulica per il transistor

18 Junction Field Effect Transistor (JFET) Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) Transistor ad effetto di campo

19 Dispositivi a semiconduttore a 3 terminali di facile fabbricazione e meno ingombranti dei BJT densità di componenti > MOSFET/chip possono svolgere la funzione di resistenza o condensatore (collegamento opportuno) si possono progettare sistemi elettronici interamente composti da MOSFET utilizzo nei VLSI si può interpretare il FET come uno switch elettronico che può trovarsi in uno stato on oppure off sotto questo aspetto il FET corrisponde ad un singolo bit, cioè ad una unità binaria di informazione

20 impiego di un campo elettrico per controllare la corrente che scorre nel dispositivo cristallo di semiconduttore drogato p o n (canale o body) la corrente - dovuta solo ai portatori maggioritari - scorre tra due terminali: sorgente (source) e pozzo (drain) sul terzo elettrodo (gate) viene applicato un campo elettrico (potenziale) che modifica la conducibilità del canale e quindi la corrente

21 barretta di SC a debole drogaggio n - impianto di due zone fortemente drogate p+ elettrodi metallici : Gate = elettrodo di controllo Source tra questi due elettrodi scorre la corrente (parallela alla giunzione) Drain modulata da un opportuno potenziale sul gate. NB : Esiste anche il JFET a canale p con limpianto di due zone a drogaggio n+ Source Drain Gate canale n p+p+ p+p+ Junction Field Effect Transistor (JFET) Source Drain Gate canale p n+

22 S G D Che succede se aumentiamo il modulo di V GS (<0) con V DS =0? La zona di svuotamento nel canale si allarga e per un certo valore di V GS = V P il canale si chiude completamente, cioè non ci sono più cariche libere disponibili. Si dice che il canale è strozzato e il valore di V GS per cui ciò avviene è detto tensione di pinchoff V P. P S G D La tensione di pinchoff è pari alla ddp tra il gate ed il punto P dove il canale si chiude completamente.

23 E possibile ottenere lo stesso effetto di strozzamento del canale anche se V GS =0 V DS V GS =0 S G D Aumentando V DS la ddp tra gate e canale aumenta in modo asimmetrico, con un valore maggiore verso il D zona di svuotamento deformata. Continuando ad aumentare V DS si raggiunge lo strozzamento. Il punto P si trova ad un potenziale tale per cui V GP = V P = tensione di pinchoff. Poiché V GS =0, V SP = V GP = V P, mentre V DP 0 quindi V DS = |V P | |V P | si può definire come il valore minimo di V DS che, per V GS =0, causa il pinchoff. Per V DS >|V P |, I DS rimane costante (=I DSS = corrente di saturazione). Se V GS 0,il pinchoff si verifica per valori di V DS inferiori. V GS =0 V DS G SD luogo dei punti di pinchoff V GS =0 VPVP

24 Aumentando V DS si osserva che la ddp tra il punto P e il source rimane uguale a V P mentre si origina una ddp tra drain e P pari a V DS -|V P |, grazie alla quale gli elettroni che raggiungono il punto P proseguono verso il drain. La ddp per cui inizia la saturazione è data da V DS V GS -V P In questa relazione troviamo i comportamenti che abbiamo descritto finora: per V GS = V P V DS = 0 che produce I DS = 0 qualunque sia V DS per V GS = 0 V DS = V P Anche il JFET (come il BJT) può essere usato come amplificatore nella zona di saturazione. Si controlla una corrente con un segnale di tensione (nel BJT si controlla una corrente con unaltra corrente più piccola).

25 zone di funzionamento del JFET 1.zona ohmica: V DS è piccola e il canale è ancora aperto. I DS = K p [2(V GS -V P )V DS –V 2 DS ] K p [2(V GS -V P )V DS ] con 0 < V DS (V GS -V P ) K p = I DSS /V 2 P 2.zona di saturazione: V DS >(V GS –V P ), I DS costante. I DS =K p (V GS -V P ) 2 dove V P V GS 0 Il luogo dei punti di pinchoff (separazione tra zona ohmica e di saturazione) si ottiene ponendo V GS = V DS +V P I DS = K p V 2 DS = eq.parabola 3.zona di interdizione: V GS < V P (con V P <0). I n questa zona I DS =0. 4.zona di breakdown: V DS è così elevata da causare un brusco aumento della corrente ed eventualmente la rottura del transistor. per V DS <<|V P | costante legge di Ohm V GS =0 |V P |

26 Il MOSFET è un dispositivo a effetto di campo che utilizza un elettrodo metallico separato da un canale di semiconduttore tramite uno strato di ossido (isolante) (struttura metallo-ossido- semiconduttore) Applicando una ddp tra gate e substrato del semiconduttore (body), attraverso lo strato di ossido, si controllano le caratteristiche del canale. Esistono 2 tipi di MOSFET –ad arricchimento –a svuotamento Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor (MOSFET)

27 MOSFET a canale n ad arricchimento (n channel enhancement – NMOS) 2 regioni n+ in un substrato di tipo p superficie superiore ricoperta di Ossido di Silicio, a parte 2 contatti metallici (Al) per le zone n+ (Source e Drain). Il Gate si trova sullo strato di Ossido, sulla zona inferiore ceun quarto elettrodo di Substrato. Normalmente S e Substrato sono tenuti insieme. Il G è ad un potenziale positivo rispetto a S, come pure il D. In assenza di potenziali esterni alcuni elettroni migrano dalle zone n+ verso p. Applichiamo V G > V S (=V sub ) gli elettroni vengono attirati nella zona tra D e S creando un canale di conduzione. Applicando una V DS si avrà una corrente I DS da D a S. Tutto ciò avviene se V GS V t (tensione di soglia). Il comportamento del MOSFET per V DS piccola è analogo a quello del JFET in zona ohmica.

28 Aumentare il valore di V DS equivale a diminuire la ddp tra D e G in prossimità del D il canale si deforma e si restringe vicino al D. Quando V DS è tale per cui V DG

29 MOSFET a canale n a svuotamento E identico al transistor NMOS appena visto, ma esiste già un canale n di conduzione tra le regioni n+. Quindi anche in assenza di tensione sul G ci sarà conduzione. Se il G ha un potenziale negativo rispetto al S ( e al substrato, che sono collegati) gli elettroni nella zona n vengono respinti si formerà una zona di svuotamento e quindi si avrà un restringimento del canale modo di svuotamento Se G ha un potenziale positivo, altri elettroni saranno attratti verso lo strato di ossido e si avrà un allargamento del canale ed un aumento della conduttanza modo di arricchimento

30 Supponiamo di operare in modo di svuotamento (V G < 0) Aumentando V DS si incontrerà una prima zona ohmica, seguita anche in questo caso da una zona di saturazione dovuta allo stesso effetto di strozzamento già visto in precedenza. V p è il valore minimo di V DS che causa la saturazione quando V GS =0 ( ed è il valore di V GS che causa il pinchoff quando V DS =0). La curva caratteristica di questo MOSFET è: Saturazione: V DS tale per cui V GD = V GS –V DS = V P cioè V DS = V GS -V P 1.zona ohmica (0

31 dispositivi CMOS carico PMOS pilota NMOS vovo vivi + - +V DD PMOS e NMOS entrambi ad arricchimento connessi in serie terminali D (Drain) collegati in serie tensione di uscita dal nodo dei D Gate comune. Al G viene applicato il segnale di ingresso. la tensione di ingresso può variare da V(0) = 0 a V(1) = V DD Q1 Q2 per v i =0 si ha V GS1 = 0 Q1 è interdetto V GS2 = -V DD Q2 è acceso, ma la corrente è nulla V DS2 =0 e v o = V DD v i = V(0) v o = V(1) Se v i

32 utilizzato in applicazioni digitali pilota NMOS al quale è connesso un PMOS come carico. Supponiamo che la tensione di soglia sia la stessa ed uguale a V DD /2. Ricordate che NMOS conduce se V Gs >0 e PMOS conduce se V Gs < 0 +-vovo PMOSNMOS tensione di ingresso alta tensione di uscita è bassa Se v i >V T NMOS in conduzione PMOS in interdizione poiché D e S dei due transistor sono in serie nel canale del NMOS non passa mai corrente carico PMOS pilota NMOS vovo vivi + - +V DD Q1 Q2 per v i = V DD = V GS1 Q1 è acceso V GS2 = 0 Q2 è spento la corrente è nulla e quindi v o = 0 v i = V(1) v o = V(0) Un circuito di questo tipo rappresenta un invertitore, cioè una porta logica NOT


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