LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 1 LM Fisica A.A.2013/14 Relazioni corrente-voltaggio Pol Dirette per npn.

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1 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 1 LM Fisica A.A.2013/14 Relazioni corrente-voltaggio Pol Dirette per npn

2 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 2 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 I C sia indipendente daV EC per V EC > 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 collectore dipende da V EC. 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  aumenta ma questo non è auspicabile per il dispositivo.

3 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 3 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 V CB limite) In configurazione emettitore-comune la rottura avviene a tensioni che sono modulate dal valore del parametro di ingresso.

4 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 4 Risposta a segnali AC Piccolo segnale  l’ampiezza del segnale in frequenza (AC) è molto minore del segnale in continua (DC) La curva di carico ha pendenza –R L -1 e intercetta V CC Guadagno di corrente Base- Collettore g EB = I B /V BE conduttanza di ingresso g m =  g EB transconduttanza Ad alta frequenza occorre considerare i contributi capacitivi C EB e C CB capacità di svuotamento; C d capacità di diffusione g EC conduttanza di modulazione di ampiezza di base (piccola conduttanza  grande resistenza)

5 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 5 Risposta a segnali AC g m e g EC dipendono da  e quindi da . Il guadagno è costante solo a bassa frequenza f  =f     cut-off Frequenza di cut-off di base (/emettitore) comune f  (/f  ) frequenza per cui  si riduce a del Max Frequenza a cui |  =1

6 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 6 Tempo di risposta La frequenza 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:  E ritardo dell’emettitore,  B tempo di transito della base,  C tempo di transito del collettore. Il più importante è il tempo di transito della base  B 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.

7 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 7 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 diretto attivo Carica iniettata nella base (Area del triangolo dei portatori minoritari iniettata) Tempo di transito diretto verso il collettore Per la base ci sono due contributi alla corrente uno diffusivo (DC) ed uno di accumulazione di carica (AC) Inoltre c’è una carica di giunzione che dipende dalla tensione di polarizzazione della giunzione

8 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 8 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 in saturazione Tempo di transito inverso verso l’emettitore 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 Modo inverso attivo

9 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 9 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Transistor bipolare come inverter Base della tecnologia digitale: circuiti logici La risposta non è istantanea Spegnimento: Da regione di saturazione a instaurarsi di regione attiva t s =t 4 -t 3 Si neutralizza la saturazione Regione attiva inversa a cut-off t r =t 5 -t 4 Raggiunge la regione di cut-off Accensione: Da regione di cut-off a regione attiva t d =t 1 -t 0 EBJ e BCJ polarizzate inverse → regione attiva EBJ diretta. Carica della regione di Base Da regione attiva a saturazione t f =t 2 -t 1 Raggiunge la saturazione t4t4 t4t4

10 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 10 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 15 Da cut-off a regione attiva t d =t 1 -t 0 t=t 0 V BE =0 V BC = - V CC =-5 V t=t 1 V BE =0,7V V BC =V BE - V CC =-4,3V =0,93 mA  Q=0,527 pC Da regione attiva a inizio saturazione t f =t 2 -t 1 t=t2 V BE =0,8 V BC =0,8 – 0,1=0,7 V t d =0,57 ns t f =1,97 ns t(ON)=2,54 ns Transistor bipolare come inverter t4t4 t4t4

11 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 11 LM Fisica A.A.2013/14Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Transistor bipolare come inverter 16 Da saturazione a regione attiva t s =t 4 -t 3 saturazione di carica sulla base da estrarre BCJ polarizzata inversa Da regione attiva a cut-off t r =t 5 -t 4 t s =14,16 ns t r =15,6 ns t(OFF)=44,76 ns C'è ancora carica di svuotamento che va recuperata (t D ) =0,07 mA t 6 -t 5 =15 ns t4t4 t4t4