Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 I Transistori I transistor sono dispositivi con tre terminali sviluppati dal 1948. I tre terminali.

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1 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 I Transistori I transistor sono dispositivi con tre terminali sviluppati dal 1948. I tre terminali si chiamano: Emettitore, Base, Collettore. (oppure: Source, Gate, Drain. )

2 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Dispositivi Bipolari e Unipolari Definizione: un dispositivo bipolare è quello in cui le correnti sono determinate da tutti e due i tipi di portatori. (es. transistor BJT = Bipolar Junction Transistor o Transistor Bipolare a Giunzione) Un dispositivo unipolare è quello in cui le correnti sono determinate solo da un tipo di portatore di carica. (es. transistor FET = Field Effect Transistor o Transistor ad Effetto di Campo)

3 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Schema di transistor BJT n-p-n Esistono anche i p-n-p con scambio della sequenza dei tre semiconduttori.

4 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Esempio di implementazione di transistor n-p-n su wafer di silicio Lunghezza di Canale (nodo tecnologico) 45 nm = 450 diametri atomici

5 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Transistor p-n-p non polarizzato Concentrazioni Campo Elettrico Livelli Energetici Schema

6 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 ModoEm-BaseCol-Base InterdizioneInversaInversa Zona AttivaDirettaInversa SaturazioneDirettaDiretta Attiva InvertitaInversaDiretta Modi di funzionamento di un BJT

7 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Transistor p-n-p in regione attiva Concentrazioni Campo Elettrico Livelli Energetici Schema

8 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Regime attivo di un BJT E

9 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Il transistor come amplificatore (regione attiva): v c = – (R C g m ) v be Il transistor in interdizione: Correnti molto basse I C 1 nA – 1 A Il transistor in saturazione: Per i casi normali si può dimostrare che: V CE 0.2 V si minimizza la caduta di potenziale ai capi del transistor quando il transistor è in saturazione, ossia linterruttore è chiuso. Regimi di funzionamento: (2)

10 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Il transistor come interruttore (1) Il transistor T di fig. (a) rimpiazza funzionalmente linterruttore S di fig. (b). Il comportamento di T è definito dalla v be.

11 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Il transistor come diodo Un transistor può funzionare anche come diodo. Nella costruzione dei circuiti integrati si costruiscono transistor che poi vengono adattati a diodi, per ottimizzare i processi di produzione solo su di un componente, il transistor appunto.

12 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Retta di carico (1) La retta dipende solo da entità esterne al diodo.

13 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Retta di carico (2) Dipende solo da entità esterne al transistor.

14 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Punto di lavoro (1) Punto di lavoro = intersezione tra retta di carico e caratteristica del dispositivo, identificata da una terna di valori V CE, V BE, I C

15 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Punto di lavoro (2) V BE IBIB

16 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Punto di lavoro (3)

17 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Punto di lavoro (4)

18 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Punto di lavoro (5)

19 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Limiti di potenza Grafico dei limiti della potenza di un circuito dove è presente un transistor e possibili rette di carico.

20 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Limiti di funzionamento dei transistor I limiti per un transistor n-p-n 2N2222A: Corrente massima di collettore (800 mA) Massima dissipazione di potenza (0.5 W) Massima tensione di uscita (breakdown V CE < 40 V) Perforazione Massima tensione di ingresso ( V BB < V EB decina V)

21 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Segnali analogici e digitali (1) Segnale Analogico: la grandezza può assumere qualunque valore allinterno di un intervallo Segnale Digitale Binario: la grandezza può assumere solo 2 valori.

22 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Livelli logici (1) Tensioni 0 logico 1 logico indeterminato V L1 V L2 V H1 V H2 Sistema a logica positiva Tensioni V L1 V L2 V H1 V H2 Sistema a logica negativa

23 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Livelli logici (2) Logica positivaLogica negativa

24 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Segnale Digitale Importanti: i livelli V 1 e V 2 e lintervallo minimo di scansione temporale del segnale (in questo caso t 2 – t 1 )

25 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Rumore (1) Rumore per segnale analogico

26 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Rumore (2) Un segnale digitale è più immune al rumore di uno analogico perché ammette una banda di variazione entro cui lo stato è univocamente definito. Mentre il rumore analogico viene trasportato lungo tutto il circuito, quello digitale viene filtrato dal primo dispositivo che attraversa.

27 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Es.: Invertitore V V t t Caratteristica di trasferimento: reale ideale VOVO VIVI V th V+V+ V+V+

28 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Rumore (3) Margine di rumore per l1 logico: V OH - V IH Margine di rumore per lo 0 logico: V IL - V OL

29 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Famiglie Logiche I dispositivi di una famiglia hanno le stesse caratteristiche fondamentali. La classificazione per famiglie è: Famiglie BJT: (TTL,ECL,etc.) Famiglie MOS: (NMOS,CMOS,etc.) Famiglie DTL: (presentano sia diodi che transistor)

30 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Sistema DL (Diode Logic) Porta OR implementata in logica negativa con il sistema DL. V(1) = 0 Volts V(0) = 5 Volts V R = V(0) = 5 Volts

31 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta OR in logica negativa Se tutti gli ingressi sono nello stato 0 (V=5 Volts) V R – v 1 = 0 ; V R – v 2 = 0 ; V R – v 3 = 0 ; Tutti i diodi sono polarizzati inversi e non conducono v 0 = V(0) = 5 Volts Se un ingresso v 1 = V(1) = 0 Volts il diodo D 1 sarà polarizzato direttamente; infatti: v 0 = V(0) – [V(0)-V(1)- V ]R/(R+R s +R f ) R f = resistenza diretta del diodo. Se si sceglie R>> R s –R f v 0 V(1) + V Volts = V(1)

32 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta AND in logica positiva (1) Che succede se prendiamo lo stesso circuito ed applichiamo una logica positiva: V(1) = 5 Volts V(0) = 0 Volts V R = V(1) = 5 Volts

33 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta AND in logica positiva (2) Se tutti gli ingressi sono nello stato 1 (V=5 Volts) V R – v 1 = 0 ; V R – v 2 = 0 ; V R – v 3 = 0 ; Tutti i diodi sono polarizzati inversi e non conducono v 0 = V(1) = 5 Volts Se un ingresso v 1 = V(0) = 0 Volts il diodo D 1 sarà polarizzato direttamente; infatti: v 0 = V(1) – [V(1)-V(0)- V ]R/(R+R s +R f ) R f = resistenza diretta del diodo. Se si sceglie R>> R s –R f v 0 V(0) + V Volts = V(0)

34 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta AND in logica negativa (1) In questo caso costruiamo una porta AND in logica negativa: V(1) = 0 Volts V(0) = 5 Volts V R = V(1) = 0 Volts

35 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Porta AND in logica negativa (2) Se un solo ingresso v 1 è nello stato 0 (V=5 Volts) Il diodo corrispondente è polarizzato direttamente. Infatti: v 0 = V(0) – [V(0)-V(1)- V ] R s /(R+R s +R f ) – V Poiché R s /(R+R s +R f ) << 1 v 0 V(0) Se tutti gli ingressi sono nello stato 1 (V=0 Volts) per tutti i diodi vale: v 1 – V(1) = 0 ; v 2 – V(1) = 0 ; v 3 – V(1) = 0 ; Tutti i diodi sono polarizzati inversamente v 0 =V(1)