Il TRANSISTOR Il primo transistor della storia

Inventori del Transistor Il transistor bipolare a giunzione (BJT) è stato inventato nei laboratori BELL nel 1948, da : William Shockley, John Bardeen Walter Brattain.

IL TRANSISTOR IE +IB+IC=0 pnp npn IC IB IE COLLETTORE n p BASE p (sottile rispetto alla lunghezza di diffusione) p n p n EMETTITORE (fortemente drogato) IE +IB+IC=0 pnp npn

Simboli circuitali del transistor pnp npn C C B B E E

Funzionamento del transistor Il funzionamento del transistor prevede che le sue due giunzioni siano polarizzate (ing. biased). Ovvero deve essere applicata una opportuna tensione ad ogni terminale: Emettitore, Base e Collettore. Le possibili combinazioni in cui le due giunzioni E-B e B-C possono essere polarizzate, sono mostrate nella seguente tabella:

Modi di operazione del BJT (Bipolar Junction Transistor) Giunzione Emettitore Base Collettore Base Modalità di funzionamento (zona) DIRETTA INVERSA ATTIVA-DIRETTA SPENTO SATURAZIONE ATTIVA-INVERSA

IL TRANSISTOR POLARIZZATO EMETTITORE BASE COLLETTORE IC p p n _ VEB _ VCB + + La giunzione EB è polarizzata direttamente le lacune diffondono verso la Base IE IC IB _ _ VEB + VCB +

IL TRANSISTOR Principio di funzionamento (effetto transistor) EMETTITORE BASE COLLETTORE p+ p n _ _ + + La giunzione BC è polarizzata inversamente le lacune diffondono verso il collettore IE IC _ _ IB + +

GUADAGNO IN CORRENTE DEL TRANSISTOR Nei transistor reali il 98.0% - 99.8% della corrente IE raggiunge il collettore. Guadagno di corrente a di corto circuito a emettitore comune (hFE)

IL MODELLO DI EBERS-MOLL p n p BJT pnp + + VEB - - VCB Relazioni approssimate per polarizzazione attiva diretta

Polarizzazione del transistor configurazione CE – Retta di carico VCC RCIC RB RC IC VCC C VCC B VCE VBE ~ 0.7V E La retta di carico

Le “caratteristiche” del transistor (di uscita e a emettitore comune) Transistor saturo Transistor in zona attiva L’incrocio della retta di carico con la curva caratteristica con IB=cost. determina il punto di lavoro (la soluzione del circuito). Ad esempio con IB=80µA Transistor spento

Amplificatore a transistor Configurazione CE – Progetto del circuito =1.8mA Il transistor ora è polarizzato e può funzionare da amplificatore RB RC=2.2kΩ RC =1.0MΩ IB VCE =6V C VCC =10V B VBE ~ 0.7V E Transistor in configurazione a Emettitore Comune CE (Common Emitter)

Amplificatore in configurazione CE 2.2V IC RB RC 5mV vu IB C VCC =10V B ~ vi VBE ~ 0.7V E

I «Piccoli Segnali» Dispositivi non lineari Polarizzazione Linearizzazione della caratteristica (x: tensione o corrente) totale; continua piccolo segnale

Modello a p del BJT per piccoli segnali Giunzione di ingresso polarizzata direttamente ib Resistenza dinamica della giunzione di ingresso Resistenza che tiene conto dell’effetto Early Generatore controllato di corrente (Effetto Transistor) gm Transconduttanza

Modello di un amplificatore a transistor in configurazione Emettitore Comune (CE) ib iu ~ vi rp gm vp RC e e VCC B E C IC RB VBE ~ 0.7V RC IB ~ vi vc =vC-VC

Parametri caratterisitici di un amplificatore a bassa frequenza Amplificazione di corrente Amplificazione di tensione Impedenza di ingresso Impedenza di uscita

Parametri di un amplificatore a transistor in configurazione CE a bassa frequenza ib iu ~ vi rp gm vp RC

Studio in frequenza di un amplificatore Frequenza di taglio inferiore Frequenza di taglio superiore Larghezza di banda Amplificazione a Mezza Banda (sfasamento) Diagramma di BODE

Diagramma di Bode di un BJT Amplificazione in dB frequenza in scala log

Capacità delle giunzioni pn Capacità di diffusione se la giunzione è polarizzata in modo diretto Capacità di transizione o giunzione (Cm ) se la giunzione è polarizzata in modo inverso

Risposta in frequenza di un amplificatore CE (basse frequenze) ib C Rg gmvp vp rp RC vg ~ Funzione di trasferimento del «passa alto» o=1/(Rg+rp)C è la frequenza di taglio (se )

Il modello completo del transistor per “piccoli segnali” rm rc rb b Cm c Cp ib rp ro vp= rp ib gmvp e e rb: Resistenza di contatto di base ~ 100W rπ Resistenza di giunzione di B-E ~ 1kW gm transconduttanza 0.1-0.4Ω-1 ro Resistenza effetto Early ~ 100kW rc: Resistenza di contatto del collettore ~ 1W rm: Resistenza di giunzione (BC) ~ 1MW Cp Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pF Cm Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF

Teorema di Miller A B Z I A B ZB ZA I I Se in un circuito i punti A e B sono connessi da un’impedenza Z e se è noto il rapporto m =VB/VA (Fig. 1), allora l’impedenza Z può essere sostituita da due impedenze ZA e ZB rispettivamente da A e B verso massa (Fig. 2). Dimostrazione: Se I è la corrente in Z diretta da A a B, allora A B Z I Figura 1 A B ZB ZA I I Figura 2

Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze) B b rc rb c Cm Cp Rg vb rp ro RC vg ~ gmvp e e Cp Capacità di diffusione (B-E) ~ 100pF Cm Capacità di transizione (B-C) ~ 1pF Applichiamo il teorema di Miller (Z è la capacità di transizione Cm)

Analisi in frequenza del transistor in conf, CE B b rc c rb Cm (1-AV)/AV Cp Rg vb rp ro RC vg ~ Cm (1-AV) gmvp e e

Risposta in frequenza di un amplificatore CE (alte frequenze) Il circuito equivalente di un amplificatore a Transistor in configurazione CE si comporta come un RC Passa Basso con la resistenza data da e con la capacità data Cp + Cm (1-AV) A Esempio R=rb//rp//Rg vp vg ~ C

Risposta in frequenza di un amplificatore CE Diagramma di Bode dell’amplificazione Frequenza di taglio bassa dovuta alla capacità di blocco e impedenza di ingresso 20 dB/decade 3 dB Frequenza di taglio alta dovuta alle capacità di diffusione e di transizione AV (dB) “Mezza banda” Frequenza (Hz)