Il transistor

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Il transistor
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• 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

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Transistor Bipolare a giunzione (BJT)
due diverse configurazioni pnp oppure npn base
elettrodo di controllo (switch) piccola
variazione della corrente di base ? rapido
cambiamento nellapparato
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Il verso della corrente (convenzionalmente la
direzione dei portatori di carica positivi) è
indicato dalla freccia nel terminale
dellemettitore.
Simboli convenzionali per i BJT
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due giunzioni p-n che condividono uno strato di
semiconduttore intermedio drogato due diodi
contrapposti emettitore- base base
- collettore
in assenza di polarizzazione esterna
campo elettrico
potenziale elettrico
distribuzione della carica elettrica
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• 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
  laltra 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) dallemettitore e
  rappresenta un frazione piccola della corrente di
  emettitore.

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• 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
  dallemettitore arrivano nella base. Le lacune
  che fanno il percorso inverso sono poche perché
  lemettitore 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 a1 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

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• corrente di collettore IC (è la corrente che
  scorre effettivamente nel transistor)
• due contributi
• 1 - elettroni che, immessi dallemettitore nella
  base, riescono a passare nel circuito
• di collettore IC a IE
• 2 corrente inversa del diodo BC, Io, dovuta
  alla polarizzazione inversa
• IC IC 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.
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• In conclusione
• quando il transistor è in zona attiva (giunzione
  BE diretta giunzione BC inversa)
• IC b IB
• IEICIB IC IC/ b ? IC
• b
• - può variare molto da un transistor allaltro
  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.
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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

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• zona attiva rette quasi orizzontali. IB e IC
  approx proporzionali.
• BJT utilizzato come amplificatore
• b) zona di interdizione IC0. VBEltlt Vg ? diodo
  BE polarizzato invers.
• ATTENZIONE diodo BC inverso.
• c) zona di saturazione IC ltlt b IB in questa
  zona VCE 00.2 V e le giunzioni sono
• entrambe polarizzate direttamente
• Se diodo BC diretto ?cè uno scambio dei ruoli
  tra E e C ?
• d) zona attiva inversa ? IE bRIB dove bR ltlt 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 diretta BC diretta saturazione
BE inversa BC diretta attiva inversa
BC
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transistor in zona attiva (VBEgtVg, VCgtVB)
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 VBEVB-RbIB Supponiamo che VB 2V e Rb
28 kW ? IB (2 - 0.6)/28mA 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 RC10 -5 5V Aggiungiamo in serie a VB una
tensione variabile (ltVB), per es. sinusoidale di
ampiezza 0.5 V. Le variazioni corrispondenti
saranno IB1 (2.5 -0.6)/28 mA 0.068 mA ?
IC16.8 mA, Vo1 (10-6.8) V 3.2 V IB2 (2.0
-0.6)/28 mA 0.032 mA? IC23.2 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/DVi3.6 N.B. amplificatore invertente
aumento del segnale in ingresso ? diminuzione del
segnale in uscita ? GV lt 0

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transistor in saturazione
giunzioni BE e BC polarizzate direttamente VC
VE Vg ? se VCE 0 anche Vo 0
transistor interdetto
giunzioni BE e BC polarizzate inversamente VBE
ltVg 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.
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• 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

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• 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 dallemettitore
• 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

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(No Transcript)
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Analogia idraulica per il transistor
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Transistor ad effetto di campo
Junction Field Effect Transistor
(JFET) Metal-Oxide-Semiconductor Field
Effect Transistor (MOSFET)
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• Dispositivi a semiconduttore a 3 terminali di
  facile fabbricazione e meno
• ingombranti dei BJT
• densità di componenti gt 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

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• 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

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Junction Field Effect Transistor (JFET)
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 limpianto
di due zone a drogaggio n
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Che succede se aumentiamo il modulo di VGS (lt0)
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.
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.
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E possibile ottenere lo stesso effetto di
strozzamento del canale anche se VGS 0
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 VDSgtVP, IDS rimane
costante (IDSS corrente di saturazione). Se
VGS ? 0,il pinchoff si verifica per valori di VDS
inferiori.
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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 VDS ? VGS
-VP In questa relazione troviamo i comportamenti
che abbiamo descritto finora per VGS VP ? VDS
0 che produce IDS 0 qualunque sia VDS per VGS
0 ? VDS 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 unaltra corrente più piccola).
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zone di funzionamento del JFET
costante ? legge di Ohm
VP

• 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 lt VDS(VGS-VP)
• Kp IDSS/V2P
• zona di saturazione VDSgt(VGS VP), IDS
  costante.
• IDSKp(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 lt VP (con VPlt0).
  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.

VGS0
per VDSltltVP
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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-semico
  nduttore)
• 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

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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 ceun
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 gt
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.
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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 VDGltVt (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 VGS0, IDS Kp Vt2 IDSS
• corrente di saturazione ( nA)

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.
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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

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Supponiamo di operare in modo di svuotamento (VG
lt 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 VGS0 ( ed è il valore di VGS che causa il
pinchoff quando VDS0). La curva caratteristica
di questo MOSFET è

• Saturazione VDS tale per cui
• VGD VGS VDS VP cioè VDS VGS-VP
• zona ohmica (0 ltVDS VGS-Vp)
• IDS Kp 2(VGS-Vp)VDS V2DS
• 2. zona di saturazione (VDS VGS-Vp)
• IDS Kp (VGS-Vp)2

NMOS
PMOS
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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

Q2
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)
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poiché D e S dei due transistor sono in serie nel
canale del NMOS non passa mai corrente
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 gt0 e PMOS
conduce se VGslt 0
Se vi gtVT ? NMOS in conduzione ? PMOS
in interdizione
Q1

-
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