Transistor a giunzione bipolare Inventato nel 1948-49, con ruoli diversi, da Bardeen, Brittain, Shockley. Valse loro nel 1956 il premio Nobel Lo scopo è di usare un piccolo ingresso per controllare una grande uscita Controllo il flusso alzando o abbassando un bozzo sul fondo (BJT) Inserisco un rubinetto che regola il flusso (FET) LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Transistor bipolare: descrizione concettuale Essenzialmente consiste in un doppio diodo n+pn (o viceversa) La regione ad alto drogaggio (n+) è chiamato emettitore, la regione p base e la regione n collettore Nde>>Nab assicura che un piccolo cambiamento della corrente di base provoca un grande aumento della corrente di collettore LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Transistor bipolare: descrizione concettuale C'è poca ricombinazione Fattore B≤1 EBJ la giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente mentre la BCJ la giunzione base collettore è polarizzata inversamente Il BJT è detto essere polarizzato in modo diretto attivo. Quando gli elettroni sono iniettati dall'emettitore la gran parte di essi attraversa la base senza problema. A causa del forte campo base -collettore gli elettroni sono spinti via e formano la corrente di collettore (I=ev=emF) Inoltre la superficie della BCJ è molto più grande della EBJ LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Azione del Transistor: descrizione concettuale Se il diodo è n+-p, la corrente di polarizzazione diretta è fatta essenzialmente dall'iniezione di elettroni nella zona p Questa corrente diretta può essere alterata da una piccola variazione del potenziale di polarizzazione diretta Fattore di trasporto di base Portatori minoritari sulla giunzione pn Rapporto di trasferimento di corrente Efficienza di emettitore LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Transistor bipolare: circuito tipico in polarizzazione diretta attiva Un piccolo cambiamento nella corrente di base causa un grande cambiamento nella corrente di collettore. L'amplificazione è data dal rapporto tra corrente di base e quella di collettore. La corrente di base è costituita da corrente di buche iniettata nell'emettitore IEp e dalla corrente di buche che ricombinano nella zona della base (1-B)IEn. Si è assunto che la giunzione pn base-collettore è fortemente polarizzata inversamente e quindi non dà corrente (di buche). La corrente di base che stiamo prendendo in considerazione è quella che entra (esce) dalla base (non quella che scorre nella base). Fattore di amplificazione di corrente Base-Collettore LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Polarizzazione del BJT Modo di operazione EBJ bias CBJ bias Saturazione Diretto (VEB<0) Diretto (VCB<0) Attivo diretto Inverso (VCB>0) Cut-off Inverso (VEB>0) Attivo inverso VEB=VB-VE I diversi modi di operazione, singolarmente o più di uno insieme, vengono sfruttati nel funzionamento di diversi dispositivi Dispositivi a microonde Applicazioni di accensione - spegnimento Per tutto questo è importante capire le correnti bipolari che si generano LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Flussi di corrente Esaminiamo le varie correnti alla luce della teoria sulle giunzioni pn viste precedentemente. (Modo Attivo diretto) Wb = Wbn (dimensione dello strato neutro) Polarizzato diretto Vij = Vi -Vj > 0 Polarizzato inverso Le regioni di emettitore e collettore sono > Lp → andamento exp La regione di base < Ln → andamento quasi lineare (su entrambe le giunzioni) Dia 4.18 LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Flussi di corrente Wbn ≈ Lb LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Flussi di corrente Approx al primo ordine non triviale Trascurando la corrente del diodo in polarizzazione inversa Base-Collettore LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Relazioni generali corrente-voltaggio Guadagno di corrente in base comune (diretto attivo) Pol Dirette per entrambe np e pn LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 10

Effetto Early o modulazione dell’ampiezza di base In un transistor ideale in configurazione di emettitore comune ci si aspetta che ad una data corrente di base IC sia indipendente daVEC per VEC> 0. Sarebbe così se potessimo assumere che l’ampiezza della base neutra (W) è constante. Ma poiché l’ampiezza della regione di carica spaziale che si estende nella regione della base varia con la tensione base-collettore, l’ampiezza di base è funzione della tensione base-collettore. La corrente di collettore dipende da VEC. All’aumentare della tensione inversa base-collettore,l’ampiezza di base si ridurrà. Ciò causa un aumento del gradiente di concentratione dei portatori minoritari e quindi un aumento della corrente di diffusione. L’amplificazione b aumenta ma questo non è auspicabile per il dispositivo. LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Avalanche breakdown La tensione base-collettore che il transistor può sostenere è limitata da fenomeni di rottura a valanga. Limite alla potenza che può essere ottenuta dal transistor. La rottura dovuta a ionizzazione di impatto si rispecchia nelle caratteristiche I-V. In configurazione di base-comune la rottura avviene a ben definite condizioni (tensione VCB limite) In configurazione emettitore-comune la rottura avviene a tensioni che sono modulate dal valore del parametro di ingresso. LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Configurazioni operative del BJT Profilo delle bande e distribuzione dei portatori di minoranza per operazioni in saturazione, attiva diretta e cut-off In saturazione sia EBJ che CBJ sono polarizzate dirette e una grande densità di portatori di minoranza sono iniettati nella regione della base (importante per lo switching) In modo di cut-off sia EBJ che CBJ sono polarizzate inverse e non c'è densità di portatori di minoranza nella regione della base In modo di diretto attivo EBJ è polarizzata diretta e CBJ è polarizzata inversa. E' usato per amplificazione IC >> IB LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Parametri di funzionamento statici I transistor bipolari possono essere polarizzati in tre diverse configurazioni ognuna con i suoi vantaggi. Nella configurazione di base comune il modo di cut-off avviene quando la corrente di emettitore è nulla. Per correnti IE non nulle il BCJ deve essere polarizzato diretto VBC<0 (~0,7V) per bilanciare le correnti iniettate dall'emettitore. Nel modo di emettitore comune si ha cut-off per correnti di base quasi nulle. Il EBJ non è più polarizzata diretta. La regione di saturazione occorre quando VCE = VBE ed entrambe le giunzioni sono polarizzate direttamente. In amplificazione di piccoli segnali il dispositivo opera in modo attivo con alta corrente o guadagno di potenza. In modo interruttore il dispositivo passa da cut-off (non conduttore) a saturazione (conduttore) LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Come scegliamo i parametri costruttivi del BJT Parametri del BJT Modo attivo diretto eVBE >> kBT eVCB>> kBT Wb<<Lb Come scegliamo i parametri costruttivi del BJT Efficienza di iniezione di emettitore ~Wbn/Lb Per disegnare un BJT con ge prossimo a 1 dobbiamo scegliere Wbn<<Le e peo <<nbo (Wbn non può essere troppo piccola perché sorgerebbero altri problemi accessori) LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Parametri del BJT Come scegliamo i parametri costruttivi del BJT Fattore di trasporto di base B ( Bassa ricombinazione) E' il rapporto tra la corrente che raggiunge il collettore alla corrente base-collettore. Essendo la giunzione base-collettore fortemente polarizzata inversa tutta la corrente che giunge sulla giunzione è risucchiata nel collettore Come scegliamo i parametri costruttivi del BJT Efficienza di collettore gc gc~1 Come scegliamo i parametri costruttivi del BJT Guadagno di corrente a≤1 non può esserci un vero e proprio guadagno in senso stretto LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Risposta a segnali AC Circuito equivalente Piccolo segnale  l’ampiezza del segnale in frequenza (AC) è molto minore del segnale in continua (DC) La curva di carico ha pendenza –RL-1 e intercetta VCC gEB= IB/VBE conduttanza di ingresso Bassa frequenza Guadagno di corrente Base-Collettore gm=bgEB transconduttanza Ad alta frequenza occorre considerare i contributi capacitivi Alta frequenza CEB capacità svuotamento e Cd capacità di diffusione (giunzione EB polar. diretta) CCB capacità di svuotamento (giunzione CB polar. inversa) Circuito equivalente gEC conduttanza di modulazione di ampiezza di base (piccola conduttanza  grande resistenza) LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Risposta a segnali AC gm e gEC dipendono da b (e quindi da a). Il guadagno è costante solo a bassa frequenza fb=fa(1-a0) cut-off Frequenza di cut-off di base (/emettitore) comune fa (/fb ) frequenza per cui a(/b) si riduce a del Max Frequenza a cui |b|=1 LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Tempo di risposta La frequenza fT è legata al tempo di risposta del dispositivo ovvero al tempo necessario per un portatore di transitare dall’emettitore al collettore. Questo include diversi contributi: tE ritardo dell’emettitore, tB tempo di transito della base, tC tempo di transito del collettore. Il più importante è il tempo di transito della base tB La distanza che percorrono i portatori minoritari nella base in un intervallo di tempo è dx = v(x) dt, dove v(x) è la velocità effettiva dei portatori minoritari nella base. Transistor per alte frequenze sono disegnati con uno spessore ridotto della base. Poiché la costante di diffusione elettronica è circa 3 volte superiore di quella delle buche, n-p-n sono preferiti. Un altro modo per ridurre il tempo di transito è di usare una base con drogaggio graduale (maggiore in prossimità dell’emettitore e minore verso il collettore) Il campo indotto aiuta il moto dei portatori riducendo il tempo di transito. LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Analisi dell’andamento di carica Comportamento del dispositivo in termini di cariche nelle diverse regioni e costanti di tempo legate al flusso di carica. In condizioni stazionarie la carica iniettata è costante ma abbiamo comunque una corrente IC (IB) Modo diretto attivo Per la base ci sono due contributi alla corrente uno diffusivo (stazionario con tBF) ed uno di accumulazione di carica dinamico Carica iniettata nella base (Area del triangolo dei portatori minoritari iniettata) Tempo di transito diretto verso il collettore IB Inoltre c’è una carica di giunzione che dipende dalla tensione di polarizzazione della giunzione Giunzione linear graded (se fosse abrupt sarebbe ½) LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Analisi dell’andamento di carica Comportamento del dispositivo in termini di cariche nelle diverse regioni e costanti di tempo legate al flusso di carica. Modo inverso attivo Tempo di transito inverso verso l’emettitore Modo in saturazione Combinazione dei due modi attivi. La capacità di giunzione è trascurabile perché la tensione di giunzione non cambia molto una volta raggiunta la condizione di saturazione LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Transistor bipolare come inverter Base della tecnologia digitale: circuiti logici La risposta non è istantanea t4 Accensione: Da regione di cut-off a regione attiva td=t1-t0 EBJ e BCJ polarizzate inverse → regione attiva EBJ diretta. Carica della regione di Base Da regione attiva a saturazione tf=t2-t1 Raggiunge la saturazione Spegnimento: Da regione di saturazione a instaurarsi di regione attiva ts=t4-t2 Si neutralizza la saturazione Regione attiva inversa a cut-off tr=t5-t4 Raggiunge la regione di cut-off t4 22 LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 LM Fisica A.A.2013/14 LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 22

Transistor bipolare come inverter Da cut-off a regione attiva td=t1-t0 t=t0 VBE=0 VBC= - VCC =-5 V TTL t=t1 VBE=0,7V VBC=VBE - VCC =-4,3V <iB>=0,93 mA td=0,57 ns DQ=0,527 pC Da regione attiva a inizio saturazione tf=t2-t1 t=t2 VBE=0,8 VBC=0,8 – 0,1=0,7 V tf=1,97 ns t(ON)=2,54 ns LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

Transistor bipolare come inverter Da saturazione a regione attiva ts=t4-t3 Il transistor possiede una grossa saturazione di carica sulla base da estrarre per arrivare a BCJ polarizzata inversa ts=14,16 ns Da regione attiva a cut-off tr=t5-t4 tr=15,6 ns t6-t5=7,5 ns C'è ancora carica di svuotamento che va recuperata (tD) t(OFF)=37,26 ns <iB>=0,07 mA LM Sci&Tecn dei Materiali A.A.2014/15 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis