Il transistor

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

Transistor Bipolare a giunzione (BJT) emettitore (drogaggio elevato) base (drogaggio basso) spessore stretto collettore (drogaggio intermedio) p n n p In un Transistor Bipolare a Giunzione (BJT) la corrente che fluisce tra due zone di uguale drogaggio è controllata tramite una corrente immessa in una zona sottile di drogaggio opposto inserita tra le prime due. Un BJT è un dispositivo che controlla una corrente tramite un’altra corrente (molto piccola). I terminali che emettono e raccolgono le cariche il cui flusso costituisce la corrente che scorre nel transistor si chiamano rispettivamente emettitore e collettore. Il terminale intermedio, di controllo, è detto base. in un BJT pnp la corrente è dovuta (principalmente) a lacune emesse dall’emettitore e raccolte dal collettore al contrario, in un BJT npn la corrente è dovuta agli elettroni. due diverse configurazioni: pnp oppure npn base = elettrodo di controllo (switch) piccola variazione della corrente di base  rapido cambiamento nell’apparato

Simboli convenzionali per i BJT Il verso della corrente (convenzionalmente la direzione dei portatori di carica positivi) è indicato dalla freccia nel terminale dell’emettitore. Simboli convenzionali per i BJT B C E IC IE IB pnp B C E IC IE IB npn

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

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 l’altra 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 IB = IE - IC la corrente di base IB rimpiazza le lacune (gli elettroni) della base che si sono ricombinati con gli elettroni (le lacune) dall’emettitore e rappresenta un frazione piccola della corrente di emettitore. 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 gli elettroni (le lacune) non si ricombinano con le lacune (gli elettroni) della base e raggiungono l’altra 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 IB = IE - IC la corrente di base IB rimpiazza le lacune (gli elettroni) della base che si sono ricombinati con gli elettroni (le lacune) dall’emettitore e rappresenta un frazione piccola della corrente di emettitore. quindi possiamo scrivere IE/IB = 1/(1-a) dove a è un numero quasi uguale a 1.

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 dall’emettitore arrivano nella base. Le lacune che fanno il percorso inverso sono poche perché l’emettitore 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- a) la probabilità di cattura di un elettrone da parte di una lacuna nella base ( con a ≈1)  un elettrone ha una probabilità a~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- a), anche la corrente di base si potrà scrivere come IB ~ (1- a) IE

IB + IC = IE  IC = Io + aIE = Io + aIB +aIC corrente di collettore: IC (è la corrente che scorre effettivamente nel transistor) due contributi: 1 - elettroni che, immessi dall’emettitore nella base, riescono a passare nel circuito di collettore : I’C ~ a IE 2 – corrente inversa del diodo BC, Io, dovuta alla polarizzazione inversa IC = I’C+ Io = a IE + Io IB + IC = IE  IC = Io + aIE = Io + aIB +aIC IC = [a/(1-a)] IB + [1/(1-a)] Io  IC = b IB + [1/(1-a)] Io  b IB a/(1-a) = b del transistor ~ 10 ÷ 102 ATTENZIONE!!! Io è molto piccolo ma è moltiplicato per un fattore ~ b ~ 10 ÷ 102 Io aumenta molto con la temperatura  non può essere sempre trascurato.

IC = b IB IE=IC+IB = IC + IC/ b  IC b : In conclusione: quando il transistor è in zona attiva (giunzione BE diretta; giunzione BC inversa) IC = b IB IE=IC+IB = IC + IC/ b  IC b : - può variare molto da un transistor all’altro 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 b viene indicato con il simbolo hFE (se ci si riferisce a grandezze variabili si usano pedici minuscoli hfe) e rappresenta il guadagno in corrente del transistor.

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

polarizzazione delle due giunzioni: zona attiva: rette quasi orizzontali. IB e IC approx proporzionali. BJT utilizzato come amplificatore b) zona di interdizione: IC=0. VBE<< Vg  diodo BE polarizzato invers. ATTENZIONE: diodo BC inverso. c) zona di saturazione: IC << b IB; in questa zona VCE ~ 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  IE = bRIB dove bR << b definito per il transistor in zona attiva diretta polarizzazione delle due giunzioni: Base – Emettitore Base - Collettore BE inversa BC inversa cutoff BE diretta BC inversa attiva diretta BE BE inversa BC diretta attiva inversa BE diretta BC diretta saturazione BC

transistor in zona attiva (VBE>Vg, VC>VB): 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 in zona attiva la giunzione BE è polarizzata direttamente VBE ~ 0.6 V ~Vg nel circuito della figura: VBE=VB-RbIB Supponiamo che VB = 2V e Rb = 28 kW  IB =[ (2 - 0.6)/28]mA = 0.05 mA Se hFE = b = 100 IC = 5 mA e IE = 5.05 mA Se VCE = 10 V, RC =1 kW la tensione sul collettore è Vo = VCE –IC RC=10 -5 = 5V Aggiungiamo in serie a VB una tensione variabile (<VB), per es. sinusoidale di ampiezza 0.5 V. Le variazioni corrispondenti saranno: IB1 = (2.5 -0.6)/(28 103) = 0.068 mA  IC1=6.8 mA, Vo1 = (10-6.8) V = 3.2 V IB2 = (1.5 -0.6)/(28 103) = 0.032 mA IC2=3.2 mA, Vo2 = (10-3.2) V = 6.8 V cioè DVo = 3.6 V DVi = 0.5 –(-0.5) = 1V  il guadagno in tensione è |GV| = |DVo/DVi|=3.6 N.B.: amplificatore invertente : aumento del segnale in ingresso  diminuzione del segnale in uscita  GV < 0 Vo configurazione ad emettitore comune ~ Vc-Ve > Vb -Ve

transistor in saturazione configurazione ad emettitore comune Vo giunzioni BE e BC polarizzate direttamente VC ~ VE ~ Vg  se VCE ~ 0 anche Vo ~ 0 transistor interdetto giunzioni BE e BC polarizzate inversamente : VBE <Vg la corrente nel circuito è quasi nulla  no caduta potenziale ai capi di RC e quindi Vo = VCE circuiti digitali il transistor viene fatto lavorare nello stato di interdizione (Vo ~VC) e di saturazione (Vo ~ 0V) associati allo stato logico 1 e 0 rispettivamente. un transistor può essere adoperato come elemento di un circuito logico facendolo lavorare nello stato di saturazione (VCE = 0) o di interdizione.

RIASSUMENDO: un transistor può essere adoperato come elemento di un circuito logico facendolo lavorare nello stato di saturazione (VCE = 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

se a passa da 0.995 a 0.996 (+ 1‰), b varia da 199 a 249 (+ 25 %) 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 dall’emettitore passa nel collettore, dopo avere attraversato la base (a ~ 1, poiché la base è poco drogata ed è stretta) b= a/(1-a) molto grande. Riducendo ulteriormente la larghezza della base, la probabilità che un elettrone venga catturato da una lacuna nella base, (1-a), diminuirà ulteriormente, a aumenterà e così b. 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-a) diminuisce a aumenta e aumenta b se a passa da 0.995 a 0.996 (+ 1‰), b varia da 199 a 249 (+ 25 %) In conclusione: per IB costante il guadagno del transistor aumenta aumentando VCE le rette non sono orizzontali ma inclinate

Analogia idraulica per il transistor

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

Dispositivi a semiconduttore a 3 terminali di facile fabbricazione e meno ingombranti dei BJT densità di componenti > 100000 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

cristallo di semiconduttore drogato p o n (canale o body) 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 In pratica, è un resistore la cui resistenza è controllata dalla tensione applicata e dal campo elettrico nel semiconduttore.

Junction Field Effect Transistor (JFET) Source Drain Gate canale p n+ 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 l’impianto di due zone a drogaggio n+ Source Drain Gate canale n p+ alle due zone p+ vengono applicati due contatti metallici che costituiscono l’elettrodo di controllo (gate) alle due estremità della barretta vengono applicati altri due elettrodi, detti source e drain tra i quali scorrerà la corrente, modulata da un opportuno valore del potenziale di gate. Abbiamo quindi due diodi in corrispondenza delle due giunzioni, anche in assenza di polarizzazione esterna. A causa dell’asimmetria del drogaggio la zona di svuotamento si estende nel canale n. Applicando un ddp VDS tra D e S si avrà una corrente che scorre nella direzione D  S dovuta agli elettroni che da S si spostano verso D (dispositivo unipolare) Per VDS non troppo alta I è proporzionale a V. (vedi figura) Supponiamo di mettere una ddp negativa tra G e S. le due giunzioni saranno polarizzate negativamente e la zona di svuotamento nel canale n si allargherà ulteriormente. la sezione di canale disponibile alla conduzione si riduce e la corrente, a parità di tensione, diminuisce. Questo effetto aumenta all’aumentare in valore assoluto di VGS (<0). Il dispositivo si comporta come una resistenza di valore sempre più elevato all’aumentare di VGS. Tutto ciò vale per valori di VDS abbastanza bassi. Quando VDS supera un certo valore di soglia VP, la corrente IDS diventa indipendente dalla tensione VDS applicata. (viene meno la linearità).

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

VP luogo dei punti di pinchoff VGS=0 E’ possibile ottenere lo stesso effetto di strozzamento del canale anche se VGS =0 VDS VGS=0 S G D Aumentando VDS la ddp tra gate e canale aumenta in modo asimmetrico, con un valore maggiore verso il D  zona di svuotamento deformata. Continuando ad aumentare VDS si raggiunge lo strozzamento. Il punto P si trova ad un potenziale tale per cui VGP = VP = tensione di pinchoff. Poiché VGS =0, VSP = VGP = VP, mentre VDP 0 quindi VDS = |VP| |VP| si può definire come il valore minimo di VDS che, per VGS =0, causa il pinchoff. Per VDS>|VP|, IDS rimane costante (=IDSS= corrente di saturazione). Se VGS ≠ 0,il pinchoff si verifica per valori di VDS inferiori. VGS=0 VDS G S D VD >VS =VG 

Aumentando VDS si osserva che la ddp tra il punto P e il source rimane uguale a VP mentre si origina una ddp tra drain e P pari a VDS-|VP|, 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  VGS -VP In questa relazione troviamo i comportamenti che abbiamo descritto finora: per VGS = VP  V’DS = 0 che produce IDS = 0 qualunque sia VDS per VGS = 0  V’DS = VP 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 un’altra corrente più piccola).

zone di funzionamento del JFET costante  legge di Ohm zona ohmica: VDS è piccola e il canale è ancora aperto. IDS = Kp [2(VGS-VP)VDS –V2DS]  Kp [2(VGS-VP)VDS] con 0 < VDS≤(VGS-VP) Kp = IDSS/V2P zona di saturazione: VDS>(VGS –VP), IDS costante. IDS=Kp(VGS-VP)2 dove VP ≤VGS ≤0 Il luogo dei punti di pinchoff (separazione tra zona ohmica e di saturazione) si ottiene ponendo VGS = VDS +VP IDS = KpV2DS = eq.parabola zona di interdizione: VGS < VP (con VP<0). In questa zona IDS =0. zona di breakdown: VDS è così elevata da causare un brusco aumento della corrente ed eventualmente la rottura del transistor. |VP| VGS=0 per VDS<<|VP|

Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor (MOSFET) 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

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 c’e’un 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 VG > VS(=Vsub)  gli elettroni vengono attirati nella zona tra D e S creando un canale di conduzione. Applicando una VDS si avrà una corrente IDS da D a S. Tutto ciò avviene se VGS ≥ Vt (tensione di soglia). Il comportamento del MOSFET per VDS piccola è analogo a quello del JFET in zona ohmica.

Aumentare il valore di VDS equivale a 0 1 2 3 4 5 VDS,V 400 300 200 100 IDS, mA VGS= 6 V VGS= 5.5 V VGS= 5 V VGS= 4.5 V VGS= 4 V Aumentare il valore di VDS equivale a diminuire la ddp tra D e G in prossimità del D  il canale si deforma e si restringe vicino al D. Quando VDS è tale per cui VDG<Vt (VDG = VGS –VDS ≤ Vt) si ha una situazione di pinchoff analoga a quella vista nel JFET. IDS diventa indipendente da VDS zona di saturazione del MOSFET Aumentando ulteriormente VDS si raggiunge la zona di breakdown (10÷ 100 V). zona ohmica (VDS ≤VGS-Vt): IDS = Kp [2(VGS-Vt)VDS –V2DS] 2. zona di saturazione (VDS ≥ VGS-Vt): IDS = Kp (VGS-Vt)2 per VGS=0, IDS= Kp Vt2 = IDSS= corrente di saturazione (≈ nA) S G (metallo) D substrato n p S D(+) substrato p n G (+) B - - - - - - - - - - - - - - - Esiste il MOSFET a canale p ad arricchimento nel quale tutti i segni e le polarizzazioni sono invertiti, ma ha un funzionamento del tutto analogo.

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

Supponiamo di operare in modo di svuotamento (VG < 0) Aumentando VDS 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. Vp è il valore minimo di VDSche causa la saturazione quando VGS=0 ( ed è il valore di VGS che causa il pinchoff quando VDS=0). La curva caratteristica di questo MOSFET è: Saturazione: VDS tale per cui VGD = VGS –VDS = VP cioè VDS = VGS-VP zona ohmica (0 <VDS ≤VGS-Vp): IDS = Kp [2(VGS-Vp)VDS –V2DS] 2. zona di saturazione (VDS ≥ VGS-Vp): IDS = Kp (VGS-Vp)2 NMOS PMOS

dispositivi CMOS 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) = VDD carico PMOS pilota NMOS vo vi + - +VDD Q2 Se vi <VT  NMOS in interdizione  PMOS in conduzione vo PMOS NMOS tensione di ingresso è bassa tensione di uscita è alta ed è pari a VDD Q1 per vi =0 si ha VGS1 = 0  Q1 è interdetto VGS2 = -VDD  Q2 è acceso, ma la corrente è nulla  VDS2 =0 e vo= VDD vi = V(0)  vo = V(1)

per vi = VDD = VGS1  Q1 è acceso VGS2 = 0  Q2 è spento poiché D e S dei due transistor sono in serie nel canale del NMOS non passa mai corrente carico PMOS pilota NMOS vo vi + - +VDD Q2 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 VDD/2. Ricordate che NMOS conduce se VGs >0 e PMOS conduce se VGs< 0 Se vi >VT  NMOS in conduzione  PMOS in interdizione Q1 vo PMOS NMOS + - per vi = VDD = VGS1  Q1 è acceso VGS2 = 0  Q2 è spento la corrente è nulla e quindi vo= 0 vi = V(1)  vo = V(0) tensione di ingresso alta tensione di uscita è bassa Un circuito di questo tipo rappresenta un invertitore, cioè una porta logica NOT