Caratteristiche transistore

1) Convenzione sulle correnti :

Si considerano positive se entranti nel transistore.

 

2) Transistore in zona attiva di funzionamento :

Si realizza polarizzando direttamente la giunzione base-emettitore in modo da ridurre la barriera di potenziale, in un pnp vi saranno pertanto delle lacune che diffonderanno nella base mentre il numero di elettroni liberi che diffondono nell'emettitore è molto inferiore in quanto si è realizzata una base meno drogata dell'emettitore, la corrente che scorre in quest'ultimo è quindi  , viene inoltre definito il rendimento d'emettitore . Analogamente viene definito il rendimento di base   ed il rendimento di collettore .

Essendo la giunzione collettore-emettitore polarizzata inversamente, la barriera di potenziale è elevata ed essendo attraversata in discesa, la corrente di diffusione nell'emettitore sarà molto alta, si ha  , sommandola alla I_C0 dovuta alla polarizzazione inversa si ha la     quindi      è pari al rapporto tra la variazione della corrente di collettore rispetto all´interdizione e la variazione della corrente di emettitore rispetto all´interdizione stessa, valori tipici sono 0,90 < a < 0,995 .

L'espressione precedente della I_C è valida solo per la regione attiva di funzionamento del transistore, mentre l'espressione generalizzata è  che, in sostanza esprime il fatto che alla corrente nella giunzione pn tra collettore e base si somma una frazione a della corrente che circola nell´emettitore.

 

3) Tecnologie costruttive del transistore discreto :

a) Realizzazione del transistore per crescita :

Si estrae un singolo cristallo da una fusione di silicio della quale viene cambiata la concentrazione delle impurità durante l´operazione di tiraggio.

b) Realizzazione del transistore per lega :

Si poggiano 2 palline di indio trivalente sulle due faccie di un semiconduttore, si alza la temperatura sino a raggiungere la fusione dell'indio, dopodichè nel raffreddamento esso cristallizza realizzando due regioni drogate "p".

c) Realizzazione del transistore per diffusione (planare) :

Vengono utilizzate delle maschere e delle emissioni gassose di impurità che vanno ad incidere sul semiconduttore.

 

4) Effetto Early :

Polarizzando inversamente la J_C si crea una regione di svuotamento che si estende prevalentemente nella base essendo questa meno drogata del collettore, gli effetti che ne conseguono sono :

a)       diminuisce la probabilità di ricombinazione nella base quindi aumenta a

b)       la corrente di diffusione aumenta col grado della concentrazione e dato che la base si riduce, tale gradiente aumenta e con esso anche la I_E

c)       per polarizzazioni inverse elevate, la base può divenire di ampiezza elettrica nulla "reach-through".

 

5) Connessione a base comune :

Si ha la base a massa pertanto in un pnp per avere J_E polarizzati direttamente devo avere una V_BE  positiva mentre per avere una J_C polarizzata inversamente debbo avere una V_CB  negativa.  Dalla    si deduce che nella caratteristica d'uscita, l'uscita è I_C mentre V_CB  e I_E sono le grandezze d'ingresso, si preferisce delle due prendere I_E come parametro in quanto I_C @ I_E e si ottengono delle rette orizzontali nella regione attiva che si estende nel quadrante individuato da I_E>0 e V_CB<0 .  La regione di saturazione nella quale si hanno bruschi aumenti di corrente con V_CB pressochè costante si ottiene per I_E>0  e V_CB>0 ossia J_C polarizzata direttamente mentre la regione di interdizione si ha per I_E<0 e si ottiene polarizzando inversamente entrambe le giunzioni.

Per quanto riguarda la caratteristica d'ingresso, è la stessa del diodo polarizzato direttamente tranne che al crescere della V_CB per effetto Early aumenta I_E e quindi le curve si addensano.

 

6) Equazione caratteristica della connessione ad emettitore comune :

Si ha   , del resto   quindi sostituendo si ha      dove   è la corrente di saturazione inversa con base aperta (…I_B=0) mentre    è il fattore di amplificazione in corrente per grandi segnali della connessione ad emettitore comune (…si osservi che I_CE0 = I_CB0 dove CE = Common Emitter e

CB = Collector Base ). Viene inoltre definito il guadagno di corrente in continua   ed il guadagno in corrente per piccoli segnali  . Si osserva che le curve che compongono la caratteristica d'uscita con la I_C al variare della V_CE e la I_B come parametro non sono orizzontali come si ha invece per il base comune in quanto una piccola variazione di a determina una grande variazione di b .

 

7) Zone di saturazione per l'emettitore comune :

Si ottiene polarizzando direttamente entrambe le giunzioni quindi la V_CE è molto piccola e dato che l'emettitore è a massa, la   indipendentemente dal valore della I_B .

 

8) Zona di interdizione per l'emettitore comune :

Le condizioni di interdizione sono le stesse del base comune ossia  ,      ma in questo caso se si lascia la base aperta e quindi I_B = 0  non si ha l'interdizione in quanto   dipende da a e si può arrivare ad avere I_C = 10 I_C0   , il problema si risolve inserendo una V_BE @ -0.1V per transistor al Ge e V_BE @ 0V per transistor al Si . Si osservi che in condizioni di interdizione scorre una I_CB0 nella giunzione di collettore che non coincide con la I_C0 per i seguenti due motivi :

a)       al crescere della V_CE  si allarga la dimensione dello strato svuotato e si verifica l'effetto valanga

b)       vi sono correnti che attraversano la giunzione sulla superficie del transistor e non nel corpo

inoltre I_CB0 è molto variabile da transistor a transistor anche dello stesso modello.

 

9) Curva di trasferimento I_C-V_BE per l'emettitore comune :

Per V_BE ® -¥  si ha che I_C®I_CB0 ed il transistor è interdetto ,  per V_BE = 0  si ha I_C = I_CES  ,  si raggiunge poi la tensione di innesco V_g quando la I_C vale  della I_{C Sat} e sin quando non si raggiunge la tensione di saturazione V_s il transistor è nella regione attiva, per il silicio si ha V_s @ 0,8V .

 

10) Equazioni di Ebers-Moll e relativo modello :

L'equazione generale del transistor può essere scritta nella forma  dove "N" stà per modo

di funzionamento normale, se immaginiamo di scambiare i ruoli delle due giunzioni si ha anche  dove "I" stà per funzionamento invertito e vige la relazione    inoltre V_C rappresenta la tensione tra il terminale di collettore ed un punto interno alla base, si ha che essa differisce dalla V_CE per la presenza di una  del valore di circa 100W la quale estrinseca le difficoltà che i portatori incontrano ad uscire dal terminale di base essendo essa larga e stretta. Tale resistenza non compare nel modello di Ebers-Moll costituito da due diodi in contropunta ciascuno con un generatore di corrente controllato in parallelo, essi sono nulli solo se a_I = a_N = 0  ossia se la larghezza della base è maggiore della lunghezza di diffusione e quindi tutte le cariche si ricombinano nella base, è questa la situazione che si ha se si mettono due diodi reali in contropunta, nel qual caso sicuramente non si è realizzato un transistor.

Dalle due equazioni di Ebers-Moll si possono estrinsecare V_E e V_C e quindi  e quindi si ottiene l'espressione della corrente d'uscita del transistore dalla quale si vede che V_CE® -¥   mentre il rapporto  è costante e vale b .

 

11) Valori limite per le tensioni inverse :

Indipendentemente dalle caratteristiche di dissipazione del transistore, la massima tensione inversa V_CB che si può applicare tra collettore e base è limitata dai due seguenti fenomeni :

Moltiplicazione a valanga

Le cariche accelerate producono per urto nuovi portatori quindi aumenta a, se la configurazione è a base comune I_C=aI_E si ha che la tensione per cui I_C®¥ è molto alta, si deve infatti avere a®¥ , nell'emettitore comune invece essendo    basta che a®1  per far divergere I_C quindi per una tensione inferiore, si ha però un tratto a resistenza negativa in quanto per piccole I_C  la corrente che scorre nella base è piccola quindi il circuito è come un base comune , al crescere della I_C aumenta però la dissipazione della resistenza di base ed il circuito torna a comportarsi come un emettitore comune.

Reach-Through

Al crescere della tensione inversa si riduce la dimensione della base quindi aumenta il gradiente della concentrazione dei portatori minoritari e quindi cresce la corrente sino anche a superare i limiti massimi ammessi dal dispositivo.

La tensione a cui il fenomeno si verifica non dipende dalla configurazione ma solo dalla fisica del dispositivo.

 

12) Fototransistore :

È una evoluzione del fotodiodo in quanto consente di avere una corrente risultante maggiore, si può realizzare con un transistore nel quale la giunzione di collettore è scoperta, e lasciando la base aperta, oppure si può inviare una corrente sulla base ed avere così un doppio controllo, in tal caso si ha infatti  .