F i n o ra, nella nostra trattazione s u i transistori, abbiamo parlato escl usivamen te del t i po N P N . Adesso, dobbiamo parl are del tipo ugual mente i m portante PNP, di come i due tipi d i fferiscono uno dal l'altro e d i come essi vengono spesso usati a compl emento u no del l'altro. P i ù avanti, i n q u esto capitolo, d i sc uteremo del le carat teristi che d i entrambi i tipi.
I N CHE COSA UN TRANS ISTOR E PNP D I FFERISCE DA U N TRANSISTO R E NPN? Per q u anto riguarda le loro funzioni, i transistori PNP e NPN fan n o precisa mente le stesse cose: entrambi com m utano e ampl ificano l'elettricità. Essi hanno u n aspetto s i m i le e ven gono fabbricati c o n g l i stessi processi c h e abbiamo esa m i n ato. Ma, un po' come le automob i l i i n g lesi con g u ida a destra e le automobi l i americane con g u ida a si n istra, essi sono esattamente il contrario l'u no dell'altro, nelle costru zioni e nel modo in cui funzionano.
Confrontiamo l i , per vedere i n che cosa essi sono divers i . La pri ma e più evi dente delle d i fferenze è che i compiti del materiale ti po N e del materiale tipo P sono
invertiti. Il m ateriale tipo P viene usato nella base del transistore N P N , mentre i l ma
teriale ti po N forma la base del t i po P N P . Per lo stesso motivo, i l materiale t i po N vie ne usato per le reg i o n i d i emettitore e d i col lettore nel transistore N P N , mentre i l ma teriale tipo P viene i m piegato per l'emettitore e i l collettore nel transistore PNP. P i ù i m portante, è i l fatto che i d u e tipi sono precisamente l'opposto nel funzio
namento. R i cord i amo che, nel caso del transistore N P N , q uando preleviamo deg l i
elettro n i dalla base t i po P, g l i elettro n i posson o scorrere dall'emettitore a l collettore
e p roseg u i re nel c i rc u ito d i lavoro. Per contro, nel P N P , se i m mettiamo deg l i elettro ni nella base ( reg ione N ) , g l i elettro n i scorrono dal collettore all'emettitore e p rose g uono nel c i rcu ito.
Q uesta d ifferenza nel funzionamento d iventa an cora più c h iara q uando con frontiamo i d ue s i m bo l i , che sono ri portati in F i g u ra 8 . 1 .
E q u i è meg l i o rag ionare i n base a l l a corrente convenzionale, p i uttosto che alla cor rente elettro n i ca - i nfatti, nel resto del l i b ro, faremo uso q u asi esclusivamente del l a corrente convenzionale. Osservando p e r p r i m o i l s i m bolo N P N , vediamo che esso viene còntrol l ato da u na piccola co rrente, che viene pom pata nella base, q u ando vengono prelevati deg l i elettroni. Il risu ltato è un g rande flusso d i elettro n i dal col lettore a/l'emettitore.
Osserviamo, o ra , che la freccia è realmente u n a particol arità conveniente d i questo si m bolo. Essa serve d a promemoria alla d i rezione, sia d e l l a corrente d i con trollo, che della corrente di lavoro. La freccia i n d ica allontanamento dal la base e al lo ntanamento dal col l ettore - ciò significa che la corrente convenzionale deve scorrere in entrata, a l l a base, e in entrata, al collettore, ma fuori dall'emettitore.
LE L I N E E TRATTEGGIATE I N D I CANO LA CORRENTE CONVENZIONALE
TRANSISTOR E NPN TRANSISTO R E PNP
Figura 8.1
Q uando u na freccia appare in qualsiasi s i m bolo d i semi cond uttore, essa i n d i ca una g i u nzione PN ed è d i retta da P a N . R i cordiamo che la regola per le g i u nzioni PN è che a l l a corrente convenzionale è permesso d i passare da P a N , m a che essa viene bloccata q uando tenta di passare nella d i rezione inversa, da N a P. Perciò, la corrente scorre fuori dal l'emettitore di un transistore N P N .
Consideriamo, adesso, i l s i m bolo d e l transistore P N P . L a freccia n e l s i m bolo dell'emettitore è diretta verso la base, anzichè via da essa. Ciò è g i usto, perchè l'e mettitore è del tipo P e la base è del t i po N e le frecce sono sem p re d i rette da P a N . l n q u esto caso, ancora u n a volta, la freccia ci d i ce anche come scorre la corrente. l n u n transistore P N P , la corrente d i controllo scorre da/l'emettitore alla base, nel la d i re zione della freccia. La corrente d i lavoro scorre dal l'emettitore al col lettore.
Voi potete vedere perchè diciamo che i due ti pi di transistori sono esattamente equ ivalenti ma di funzionamento opposto. Questo va u n po' precisato, tuttavia, di regola, i transistori d i t i po NPN possono funzionare più velocemente dei transistori PNP - essi possono an dare in conduzione e a l l ' i nterd izione più rapidamente. I noltre i l costo d i fabbricazione dei transistori N P N , generalmente è m i nore. I n conseg uen za d i q u esti due fatti, i transistori del tipo NPN sono più usati d i q u el l i P N P .
I n certe appl icaz i o n i , o g n u n o d e i d ue tipi p resenta dei b e n defi niti vantagg i ri spetto a l l 'altro. Così prima di esami nare come funzionano i transistori P N P , ved ia mo a che scopo vengono usati. A dispetto del fatto che i transistori P N P sono per lo p i ù , leggermente p i ù lenti e costosi dei transistori NPN, essi sono deg l i uti l i e i m por tanti prodotti. I l nostro esempio farà vedere come i l fatto che le caratteristiche d i q u esti due transistori s i a n o opposte possa ven i r sfruttato dal progetti sta d i apparec chiatu re.
COME VENGONO USATI l TRANSISTOR I PNP?
La F i g u ra 8.2 rapp resenta i l sistema d i altoparlante da noi g i à varie volte usato. Ma ora, lo abbiamo m i g l iorato facendo uso di u n transisto re P N P .
P e r vedere c o m e l'ag g i u nta d i u n transistore P N P m i g l i ori i l fu nzionamento,
-1 2V Figura 8.2
dobbiamo esam i nare il funzi onamento del nostro sistema ori g i n ario a u n solo tran sistore. Delle onde sonore colpiscono i l m i crofono. In risposta, il m icrofono genera dei picco l rig u rg iti d i onde d i corrente nel f i l o che va a l l a base del transistore. La cor rente i n q u esto filo scorre sempre verso la base, perchè sappiamo che l a corrente convenzionale non può scorrere fuori dal l a base di un transistore N P N - se n o sareb be d i retta in senso contrario a l l a d i rezione della freccia s u l l'emettitore.
Ma ricordiamo che q u esta corrente conti n u a non è costante; essa c resce ·- p ri ma rapidamente e poi lentamente. I l transistore, natu ral mente, a m p l ifica questi p i c col i aumenti, med i a nte l a regolazione della corrente d i a l i mentazione, prod ucendo dei g randi au menti che scorrono dal collettore all'emettitore. Q u esti g randi a u m enti d i corrente van n o a l l'alto parlante. Un au mento di corre nte fa sobbalzare la membra na dell'altoparl ante i n u n senso, creando u n aumento d i p ressione nell'aria. Poi, quando la corrente d im i n u isce, la mem brana ricade, ri m balzando i n senso o pposto. Ciò att i ra i n d i etro l'aria, i m provvisamante, generando un leggero vuoto, che seg ue l'onda d i pressione. Così , l'altoparlante crea u n a versi one a m p l ificata del suono che col p i sce i l m i c rofono.
COME PUO' ESSER D'AIUTO U N TRANSISTO R E PNP?
Adesso, ved iamo cosa non va i n q u esta confi g u razione ci rcu itale, così potre mo capi re come possa esser d'ai uto un transistore P N P . I l guaio è che, per fi n i i n d i cativi , abbiamo usato, per i l n ostro a m p l ificatore ori g i nario, u n a confi g u razi one estremamente sem p l i ce. Per far f u nzionare a dovere u n sistem a d i q u esto tipo, i l no stro m i c rofono e i l n ostro alto parlante dovrebbero avere del l e capacità particolari s si me. accorrerebbero, cioè, dei d ispositivi molto fuori del comune, fu nzionanti i n base a deg l i a u menti d i corrente conti n ua - mentre i normal i m i c rofo n i e altoparlanti
rich iedono u n a corrente alternata. Come le onde sonore sono delle correnti alterna te d'aria, così , u n tipico microfono acustico risponde generando u n a corrente elet trica alternata, con la corrente prima en trante nell'ampl ificatore, poi uscen te da es so. Analogamente, la magg ior parte dei normal i altoparlanti richiedono che la corrente vada prima i n u n senso, per spingere la membrana da u n a parte, e poi vada nel l'altro senso, per tirare la membrana nell'altra parte.
Potremmo modificare la confi g u razione ori g i naria del nostro ampl ificatore
agg i u ngendo delle resistenze e dei condensato ri . C i ò lo renderebbe u n ampl ificato re i n "classe A". Ma g l i a m p l ificatori i n classe A sprecano un m ucchio di potenza. I l chè l i rende poco pratici come ampl ificatori d i potenza.
L'am pl ificatore di F i g u ra 8.2 è un ampl ificatore i n "classe B". G l i amplificatori in cl asse B vengono anche chiamati ampl ificatori in "controfase" ( push-pu l l ) , con riferi m ento al fatto che essi fan n o uso di due transistori per dare u na co rrente di uscita alternata. Nel nostro ampl ificatore in classe B, abbiamo due transistori . O ra, u n'onda di corrente che va a destra manda in conduzione il transistore NPN e u n 'on da che va a s i n istra manda in conduzione il transistore PNP. Così , la corrente i n uscita è u na copia ampl ificata e i nvertita della corrente alternata n e l m i c rofono.
Un ampl ifi catore i n classe B così fatto, facente uso d i u n transistore NPN e di u n transistore P N P (anzichè di due transistori del lo stesso ti po) viene chiamato am pl ifi catore i n classe B complementare, perchè i due transistori sono fra loro comple mentari.
S i potrebbero usare, invece, due transistori NPN, ma i l c i rcu ito pi lota sarebbe molto p i ù com p l i cato e costoso. Con i transistori complementari, come nel nostro caso, per col l egare i transistori al m icrofono, basterà u n a sem p l i ce coppia di resi stenze. Q ueste resistenze servono a portare i transistori a l l a sog l i a di conduzione, senza tenerl i in cond uzione tutto il tem po.
Ci sono molti altri casi d i q u esto genere, in cui la poss i b i l ità di i m piegare sia dei transistori NPN che dei transistori PNP permette ai progettisti di realizza re delle config u razioni c i rc u ital i p i ù sem p l i c i ed economiche, confi g u razioni che sprecano meno potenza e danno m i g l iori prestazioni d i q ue l l e a un solo tipo di transistore. COME FUNZIONA UN TRANSISTOR E PNP?
La F i g u ra 8.3 presenta lo schema d i pri ncipio d i u n transistore PNP. Come nel tipo N P N , la reg ione d i base del PNP è estremamente ristretta con uno spessore di solo poche decine d i m i l les i m i d i poll i ce ( meno d i 1 00 m i c ron) - ed è " d rogata" de bol mente. Poi chè la base è un materiale di tipo N, troveremo in questa reg ione alcu n i elettro n i l i beri . Nel diseg no, g l i elettro n i l i beri sono rapp resentati da seg n i meno ( - ) e le lacune positive nel la reg ione P sono rappresentate con dei cerch iett i . Come ved remo, l e lacune nel PNP com piono la stessa fu nzione deg l i elettro n i l i beri neii'NPN.
Così come abbiamo fatto con i l transistore N P N , prendiamo quel breviss i m o momento i n c u i com i n c iamo a f a r scorrere elettricità nel ci rcu ito d i lavoro, senza fa re assol utamente n u l la a l l a reg ione di base. Cosa succede? Per u n a m i n i ma frazione d i secondo, l'emettitore d i tipo P emette delle lac u ne positive attraverso la base. Ciò avviene proprio nello stesso modo co n c u i deg l i elettroni l i beri ven ivano emessi attraverso la base nel transitare N P N .
Poi chè la base è stretta e "d rogata" debolmente, u n g ran n u mero di lac u ne rie sce ad attraversarla - u na sola lacuna per u n istante. Ciò perché, durante questo tem po, alcune delle lacune rimangono i ntrappolate nella reg ione di base, per aver i n contrato g l i elettro n i l i beri . O g n i lacuna positiva che ri mane presa nel la reg ione d i base, p e r essere u n elettrone cad uto entro d i essa, tenderà a d accrescere la carica positiva nella base. Final mente, la carica positiva accu m u lata in q uesta reg ione N esercita ab bastanza forza repel lente da arrestare u n'u lteriore m i g razione d i lacune. U na volta che nel l a reg ione N non posso no p i ù entrare delle lacune, la con d uzione si arresta.
EMETTITO R E BASE COLLETTOR E o ELETTRO N I p N p o- - · - · o- 0-..g o (\- - - --o LE FRECCE TRATTEGGIATE I N D I CANO IL FLUSSO D I ELETTRONI LACUNE Figura 8.3
Per far riprendere la conduzione, i l ci rcu ito d i contro l l o deve ripristinare i l di m i n u ito riforn i mento d i elettro n i l i beri negativi, pompandone a l c u n i altri attraverso il term i nale di base. Q uando ciò accade, la presenza di n uovi elettro n i l i beri com pensa l a accresci uta carica positiva. Ciò fa d i m i n u i re la forza repell ente e le lac u ne positive possono ricom i nciare a m u overs i . Questo è tutto q uello che c'è da d i re su questo fenomeno - i l fu nzionamento è molto s i m i le a q ue l l o del transistore NPN, sol tanto è esattamente l'opposto.
Potete fare ancora una domanda i m barazzante ci rca il comportamento del transistore PNP. Abbiamo parlato del mov i mento delle lacune positive che attra versano le g i u nzioni e scorrono attraverso tutte le tre reg i o n i del d ispositivo. Potete domandarvi: "Conti nuano le lacune a spostarsi l u ng o il filo, fornendo q ualche spe cie i nsol ita d i elettricità? " Sarebbe u n a domanda logica, ma le lacune non possono fa r ciò; esse si spostano solo nel materiale semiconduttore. V i è, i n defin itiva, solo una specie d i elettricità: gli elettroni in moto. Se avete delle d iffi coltà a com p rende re il PNP, ciò può esser dovuto al fatto che avete tanto sentito parlare del le lac u ne positive da aver d i menticato g l i elettro n i . "Le lac u n e si m u ovono" i n u n senso, è sem p l i cemente u n modo d i d i re per descrivere g l i elettro n i v i n colati che si spostano nel l'altro senso.
Con questa discussione del transistore PNP, abbiamo com pletato i l n ostro stud i o del funzio namento e delle applicazi o n i dei p i ù i m portanti d ispositivi della fa m i g l ia dei sem icond uttori, i transistori N P N e PNP. I l nostro prossi m o passo sarà d i analizzare le loro caratteristiche specifiche n e i data sheet, così come abbiamo stu d i ato le caratteristiche dei d i o d i .
QUALI SONO LE SETTE CARATTER ISTI CHE FONDAM E NTALI DEl TRANSISTORI?
Nello studio del le caratteristiche dei transistori, possiamo seg u i re u n approc cio più d i retto di quello seg uito per i d iod i . Nel trattare dei diodf, abbiamo, per prima cosa, dovuto prendere i n considerazione i l com portamento dei diodi, anal izzando il diag ramma relativo alla corrente i n funzione della tensione. Ma, nel caso dei transi stori, abbiamo già esposto i pu nti essenziali del loro comportamento - noi già sap piamo come la corrente d i controllo sia i n g rado di commutare e regolare la corrente di lavoro.
Un data sheet di transistore contiene una g ran q u antità d'i nformazi o n i . M a l ' i nformazione p i ù i m portante p u ò ven i r data attraverso sette caratteristiche princi pal i . Le passeremo i n rasseg na, u n a a l l a volta:
Il guadagno di corrente h FE o h re o beta) è, probabi l mente, la p i ù nota caratteri stica dei transistori . Esso ci dice il n u mero di volte per cui il transistore moltiplica la corrente d i contro l l o per p rodu rre la corrente d i lavoro. Per esempio, se un m i l l iAm pere di corrente di contro l l o prelevato dalla base dà 1 00 m i l l iAm pere d i corrente di lavoro uscente dal collettore, il g u adagno di corrente sarà di 1 00. Sono sinon i m i di guadag no di corrente " beta" e " rapporto di trasferimento in corrente: si può scrivere i n due modi divers i . Q uando viene scritto " h re", esso è i l g u adag no d i corrente per "seg n a l i picco l i " ed è relativo alle onde. E' poss i b i l e che la corrente totale venga am pl ificata di u na q uantità d iversa da quella d i cui vengono ampl ificate le onde d i cor rente. E' per q u esto che potrete vedere s u l l o stesso data sheet sia u n guadag no sta tico che un g u adag no per seg nali piccol i .
L a cifra di rumore (N F, ossia "noise fig u re") è la seconda caratteristica fonda mentale dei transistori . R u more, i n u n c i rcu ito elettrico, è qualsiasi seg nale non vo luto. Questo ru more d i venta u d i b i l e nei sistemi che producono suon i - i s i bi l i e i c re piti d i sord i nati che voi ud ite nella vostra rad io o nel vostr9 g i rad ischi sono rumore reso u d i b i le. O g n i dispositivo elettrico prod uce in q ualche m i s u ra del rumo re; esso è causato da fluttuazioni casu al i , non vol ute, d i corrente e d i tensione, che si verificano i n conseg uenza del fatto che g l i el ettrron i scorrono i n modo tu rbolento e i rreg ol are. La corrente i n uscita da u n transistore non è u na rep l i ca perfettamente ampi ificata del la corrente i n entrata, ma è leggermente frastag l i ata. La cifra d i rumo re del transistore dà u n ' i n d i cazione d i come frastag l i ata e i m pe rfetta sia la corrente d i lavoro. I l rumore viene espresso i n u n ità d i intensità sonora relativa chi amata " de c i bel" ( d B ) .
L e restanti c i n q u e i m portanti caratteristiche d e i transistori sono fac i l i da capi re, perchè sono sostanzi al mente le stesse c i n q ue caratteristiche dei diodi che ab biamo già studiato. In effetti , q ueste stesse c i nq u e caratteristiche vengono specifi cate, con solo l ievi modifiche, nei data sheet di q u as i og n i dispositivo sem i con dutto re. Esse sono delle carattristiche per sem icond uttore veramente univerali. I noltre, esse val gono non solo per i sem iconduttori , ma per tutti i dispositivi comm utatori e regolatori - comprese le valvole nel le tubazioni i d rau l i che.
La F i g u ra 8.4 elenca due caratteristiche dei transistori d i cui abbiamo già par l ato, nonchè le c i n q ue caratteristiche u n iversal i .
CARATTERISTICHE UNIVERSALI 3. DISSIPAZIONE DI POTENZkMASSIMA ASSOLUTA 4. CONDUTTIVITA' 5. CORRENTE DI DISPERSIONE 6. TENSIONE DI iiREAic:bòW N 7. VELOCITA' DI
PER l DIODI PER l TRANSISTORI
CIRCUITO DI LAVORO CIRCUITO DI COMANDO EMETTITORE-COLLETTORE EMETTITORE - BASE
.P -DISSIPAZI ONE DI DISSIPAZIONE POTENZA , IC - CORR ENTE DI
IF - MASSIMA COLLETTORE CORRENTE DIRETTA
VCE (ut) - TENSIONE DI VBE - TENSIONE BASE -
VF-TENSIONE DIRETTA SATURAZIONE EMETTITORE EMETTITORi( COLLETTORE
ICEO - CORRENTE IEBO - CORRENTE FRA
lA-CORRENTE COLLETTORE EMETTITORE CON EMETTITORE E BASE CON COLLETTORE
BASE APERTA APERTO
VBR - TENSIONE DI V(BR)CEO - TENSIONE DI V(BR)EBO - TENSIONE DI BR EAKDOWN BREAKDOWN . . BREAKDOWN EMETTITORE -
COLLETTORE-EMETTITORE BASE
TON -TEMPO DI ANDATA IN
lrr. TEMPO DI CONDUZIONE
RECUPERO I NVERSO TOFF � DI ANDATA