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Transistor  
             

Il transistor o BJT (bipolar junction transistore) è un componente elettronico che viene prodotto in forma discreta, come componente singolo o in forma integrata, cioè all'interno di circuiti integrati utilizzando per la sua costruzione il silicio, noto come materiale semiconduttore. Viene anche chiamato transistor bipolare perchè in esso, il processo di conduzione coinvolge portatori di carica di entrambe le polarità, positiva e negativa; questo lo distingue da un altro transistore: il JFET : transistor ad effetto campo ( junction field effect transistor) dove la conduzione vede coinvolti portatori di carica di un solo tipo, elettroni o lacune.

Il transistor viene usato in elettronica indifferentemente come componente analogico ( amplificatore di corrente o di tensione ) o logico ( come interruttore) ha come caratteristica principale quella di essere pilotato in corrente, a differenza del JFET che è, invece, comandato in tensione.

E' stato realizzato per la prima volta nel laboratori Bell nel 1948, inizialmente usando come materiale di costruzione un altro materiale semiconduttore: il germanio. Da quel momento e per i successivi decenni il suo utilizzo ha subito incrementi impressionanti giustificato anche dalla messa a punto di tecniche di miniaturizzazione applicate per la sua produzione.

La struttura di un transistor bipolare si riconosce perchè costituita da tre regioni adiacenti ( contigue ) di materiale semiconduttore drogate alternativamente n e p. In questo disegno sono rappresentate le due tipologie di BJT che si possono ottenere: il modello npn ed il modello pnp dove sono evidenziate le giunzioni di collettore Jc e di emettitore Je.

Il modello npn è più diffuso ma quando si illustra il funzionamento del dispositivo lo si fa normalmente col modello pnp perchè in esso l'andamento delle correnti coincide con il flusso dei portatori di carica pasitiva, cioè le lacune.

Chi comanda il funzionamento è sempre la giunzione fra base-emettitore Je che in questo caso viene polarizzata direttamente, mentre la giunzione Jc fra base e collettore viene polarizzata inversamente. Teoricamente è come avere due diodi contrapposti, uno polarizzato direttamente percorso da una corrente diretta e l'altro polarizzato inversamente e ovviamente percorso da una corrente inversa, piccola ma non trascurabile. Complessivamente la situazione è quella rappresentata nel disegno.

In virtù della polarizzazione diretta Je viene attraversata da una corrente di diffusione IE costituita prevalentemente da lacune; giunte nella base le lacune si elidono solo parzialmente con gli elettroni liberi.
La ricombinazione dà luogo alla corrente di base IB che risulta essere molto più piccola di IE.
Dal punto di vista geometrico lo spessore della base di tipo n è più sottile delle zone di collettore e di emettitore di tipo p; la gran parte delle lacune proseguono verso il terminale di collettore in quantità αIE ; un valore di α=0,99 è plausibile in condizioni ordinarie. Una seconda corrente ICBO viene convogliata verso il terminale collettore, ma questa è la corrente inversa di saturazione della giunzione Jc polarizzata inversamente. Assieme ad αIE la ICBO andrà a costituire la corrente di collettore IC.

Per un transistor di tipo npn il comportamento sarà identico ma il verso delle correnti sarà invertito, perchè dovuto al movimento degli elettroni e dunque sarà contrario a quello descritto per il pnp.

 

Il collegamento per il funzionamento di un transistor npn è quello disegnato a fianco.

Essendo in completa analogia col caso pnp suddetto possiamo quantificare

ricordando che α≅0,9÷0,99 si trascura ICBO e si pone:

    da cui       più propriamente si approssima   

hFE=guadagno di corrente continua ( DC current gain ) con hFE=100÷1000.
Nella pratica è considerata lecita l'approssimazione β=hFE .

Dal punto di vista circuitale, il dispositivo può essere diviso in due zone:
• la maglia di ingresso (zona verde) : caratterizzata dalle variabili VBE ed IB.
• la maglia di uscita (zona gialla): caratterizzata dalle variabili VCE ed IC.

Caratteristiche di ingresso               

Rappresentano l'andamento della corrente IB in funzione della VBE quindi ci si riferisce alla giunzione Je fra base ed emettitore, polarizzata direttamente; la caratteristica è inevitabilmente quella di un diodo con tensione di soglia Vγ =0,5V, per un funzionamento normale si assume un valore VBE=0,7 V

Caratteristiche di uscita               

Rappresentano l'andamento della corrente IC in funzione della VCE per valori costanti di IB.
Si tratta dunque, di una famiglia di curve. L'intersezione fra la retta di carico e la caratteristica di uscita ( per un assegnato valore di IB ) individua il punto di lavoro del transistor che raggiunto quello stato si dice polarizzato.

Polarizzazione               

La polarizzazione del transistor, di fatto, viene ottenuta dal circuito precedente andando ad individuare sulle caratteristiche di uscita l'intersezione fra la retta di carico e la curva di uscita corrispondente allo specifico valore di VBE in atto.

     

• zona attiva: è la zona centrale delle caratteristiche di uscita, detta anche di funzionamento lineare
• zona di saturazione: con bassi valori di VCE in cui l'insieme delle curve di uscita tendono a confondersi in un unico tratto quasi verticale.
• zona di interdizione: pressochè coincidente con l'asse delle ascisse in cui sia IB che IC hanno valori trascurabili.

Se si vuole usare il BJT come amplificatore quindi in modo lineare, il punto di lavoro deve essere scelto opportunamente all'interno della zona attiva.
Se si vuole usare il BJT come interruttore il punto di lavoro può solo commutare fra la zona di interdizione e la zona di saturazione.

Polarizzazione con partitore di base               

Nel circuito di polarizzazione precedente si nota la presenza di due batterie di alimentazione (EB,EC).

Volendo realizzare un circuito di polarizzazione con un solo terminale di alimentazione si può ricorrere allo schema di figura.

Questo schema si può analizzare facendo il circuito equivalente Thevenin ai morsetti B-O


Il circuito a monte della coppia di nodi B-O può essere visto come in figura; la tensione VBO calcolata a vuoto ci fornisce il valore del generatore equivalente che in questo caso chiameremo EB.


La resistenza equivalente deve essere ottenuta cortocircuitando il generatore di tensione nel circuito che stiamo semplificando; in tal caso la resistenza vista alla coppia di nodi B-O che chiameremo RB è il parallelo fa R1 ed R2:


Il circuito risultante è identico a quello indicato per la prima polarizzazione che si è visto.
La maglia interna interessa il circuito B-E (giunzione Je )

    ( maglia di ingresso )

La maglia esterna interessa il circuito C-E (giunzione Jc )

      ( maglia di uscita )

Nei circuiti di polarizzazione, al fine di ottenere una stabilizzazione del punto di lavoro viene introdotta una resistenza sull'emettitore.

Ricordandoci che :   e che     sarà  
sulla maglia di ingresso:

sostituendo la IE avremo

sulla maglia di uscita la legge di Kirchoff sarà:

sostituendo la IE. Dato che

   sapendo che    β >>1

esprimendo la IC in funzione della VCE.

in tal caso la retta di carico avrà pendenza proporzionale a ( RC+RE ).

 Transistor come interruttore

Osservando le caratteristiche di uscita di un transistor si riconoscono, dunque,tre zone di funzionamento

-la zona di attiva, dove il transistor viene usato come amplificatore
-la zona di saturazione dove il valore della VCE è molto basso
-la zona di interdizione, prossimo all'asse delle ascisse, in cui sia IB che IC sono trascurabili


A seconda del tipo di applicazione che si vuole costruire possiamo portare il transistor nella zona che vogliamo, semplicemente modificando il valore di IB.
Dallo schema di figura: si ottiene l'equazione alla maglia di uscita del transistor:

     da cui si ottiene     

Questa relazione può essere rappresentata sul piano delle caratteristiche di uscita con una retta, avente coefficiente angolare negativo (-1/RC) e che interseca l'asse delle ordinate nel punto VCC/RC.
Questa è la retta di carico statica. Le intersezioni saranno dunque

Per una data IB i valori della VCE e della IC del punto P, ottenuto dall'intersezione fra la retta di carico e la caratteristica di uscita, definiscono il punto di funzionamento del dispositivo.

 Zona attiva 

In questa zona, la giunzione base-emettitore, risulta polarizzata direttamente con una tensione tipica di 0,7V, mentre la giunzione base-collettore è polarizzata inversamente.
In questo caso vale ( considerando )  la relazione fondamentale.


 Zona di saturazione  

Aumentando il valore di IB si vede come il punto P si sposta verso l'alto, il valore di IC aumenta, mentre VCE diminuisce fino a raggiungere la zona di saturazione indicata.

 Zona di interdizione  

Diminuendo il valore di IB il punto di funzionamento P si sposta verso valori di IC sempre più bassi, finché non giunge nella zona di interdizione. Per ottenere ciò si deve avere IB ≅ 0 . In pratica VBE<Vγ la giunzione base-emettitore deve essere polarizzata negativamente . Quindi per interdire un transistor, si porta VBE a 0 o ad un valore leggermente negativo.

Quando il transistor viene usato come interruttore, il dispositivo viene usato facendolo commutare fra la zona di saturazione e la zona di interdizione. Questo funzionamento può essere indicato dalla figura seguente:

 Stato ON  

Quando viene portato in zona di saturazione, il transistor presenta una VCE molto bassa: esso viene considerato un interruttore chiuso (ON).

Deve essere

in prima approssimazione si ha

 Stato OFF  

Lo stato aperto OFF si ottiene portando il transistor in interdizione , in questo caso infatti IC come pure IB, sono considerate nulle. Per ottenere ciò è necessario VBE<Vγ o pù semplicemente:

Deve essere soddisfatta la:

In prima approssimazione si ha

 

 

 

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