Il transistor

Il transistor

• 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

emettitore (drogaggio elevato)

base (drogaggio basso) spessore stretto

collettore (drogaggio intermedio)

p n p

n p n

due diverse configurazioni: pnp oppure npn base = elettrodo di controllo (switch)

piccola variazione della corrente di base  rapido cambiamento nell’apparato

Transistor Bipolare a giunzione (BJT)

B

C

E

I

I

I

npn

B

C

E

I

I

I

pnp

Il verso della corrente (convenzionalmente la direzione dei portatori di carica positivi) è indicato dalla freccia nel terminale dell’emettitore.

Simboli convenzionali per i BJT

+ - + - + - + -

- + - + - + - +

n p n

E B C

due giunzioni p-n che condividono uno strato di semiconduttore intermedio drogato due diodi contrapposti: emettitore- base base - collettore

distribuzione della carica elettrica

campo elettrico

potenziale elettrico

EB BC

EB BC

EB BC

in assenza di polarizzazione esterna

• 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 l’altra 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) dall’emettitore e

rappresenta un frazione piccola della corrente di emettitore.

• 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 dall’emettitore arrivano nella base.

Le lacune che fanno il percorso inverso sono poche perché l’emettitore 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- ) la probabilità di cattura di un elettrone da parte di una lacuna nella base ( con  ≈1)  un elettrone ha una probabilità ~1 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- ), anche la corrente di base si potrà scrivere come

I

~ (1- ) I

corrente di collettore: I_C (è la corrente che scorre effettivamente nel transistor) due contributi:

1 - elettroni che, immessi dall’emettitore nella base, riescono a passare nel circuito di collettore : I’_C ~  I_E

2 – corrente inversa del diodo BC, I_o, dovuta alla polarizzazione inversa

I

= I’

+ I

=  I

+ I

I

+ I

= I

 I

= I

+ I

= I

+ I

+I

I

= [/(1-)] I

+ [1/(1-)] I

 I

=  I

+ [1/(1-)] I

  I

 /(1-) =  del transistor

ATTENZIONE!!!

I_o è molto piccolo ma è moltiplicato per un fattore ~  ~ 10 ÷ 10²

I_o aumenta molto con la temperatura  non può essere sempre trascurato.

In conclusione:

quando il transistor è in zona attiva (giunzione BE diretta; giunzione BC inversa)

I

=  I

I

=I

+I

= I

+ I

/  I



- varia con il “punto di lavoro”, cioè con le tensioni applicate al transistor - varia con la temperatura

Il parametro  viene indicato con il simbolo h_FE (se ci si riferisce a grandezze variabili si usano pedici minuscoli h_fe) e rappresenta il guadagno in corrente del transistor.

Caratteristiche di uscita del transistor

descrivono la dipendenza della corrente di collettore dalla differenza di potenziale tra collettore ed emettitore V_CE

famiglia di curve corrispondenti a diversi valori della I_B

3 regioni distinte:

a) zona attiva

b) zona di saturazione c) zona di interdizione

a) zona attiva: rette quasi orizzontali. I_B e I_C approx proporzionali.

BJT utilizzato come amplificatore

b) zona di interdizione: I_C=0. V_BE<< V_  diodo BE polarizzato invers.

ATTENZIONE: diodo BC inverso.

c) zona di saturazione: I_C << I_B; in questa zona V_CE ~ 0÷0.2 V e le giunzioni sono entrambe polarizzate direttamente

Se diodo BC diretto c’è uno scambio dei ruoli tra E e C 

d) zona attiva inversa  I_E = _RI_B dove _R <<  definito per il transistor in zona attiva diretta

polarizzazione delle due giunzioni:

Base – Emettitore Base - Collettore

BE diretta BC diretta saturazione BE diretta BC inversa attiva diretta BE inversa

BC inversa cutoff

BE inversa BC diretta attiva inversa

BE

BC

transistor in zona attiva (V_BE>V_, V_C>V_B): 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

V_o

configurazione ad emettitore comune

~

in zona attiva la giunzione BE è polarizzata direttamente

V_BE ~ 0.6 V ~V_

nel circuito della figura: V_BE=V_B-R_bI_B Supponiamo che V_B = 2V e R_b = 28 k

 I_B =[ (2 - 0.6)/28]mA = 0.05 mA Se h_FE =  = 100

I_C = 5 mA e I_E = 5.05 mA

Se V_CE = 10 V, R_C =1 k la tensione sul collettore è V_o = V_CE –I_C R_C=10 -5 = 5V

Aggiungiamo in serie a V_B una tensione variabile (<V_B), per es. sinusoidale di ampiezza 0.5 V.

Le variazioni corrispondenti saranno:

I_B1 = (2.5 -0.6)/28 mA = 0.068 mA  I_C1=6.8 mA, V_o1 = (10-6.8) V = 3.2 V I_B2 = (2.0 -0.6)/28 mA = 0.032 mA I_C2=3.2 mA, V_o2 = (10-3.2) V = 6.8 V

cioè V_o = 3.6 V V_i = 0.5 –(-0.5) = 1V  il guadagno in tensione è |G_V| = |V_o/V_i|=3.6

N.B.: amplificatore invertente : aumento del segnale in ingresso  diminuzione del segnale in uscita  G_V < 0

transistor in saturazione

giunzioni BE e BC polarizzate direttamente V_C ~ V_E ~ V_ 

se V_CE ~ 0 anche V_o ~ 0

configurazione ad emettitore comune

V_o

transistor interdetto

giunzioni BE e BC polarizzate inversamente : V_BE <V_ la corrente nel circuito è quasi nulla  no caduta potenziale ai capi di R_C e quindi V_o = V_CE

circuiti digitali

il transistor viene fatto lavorare nello stato di interdizione (V_o ~V_C) e di saturazione (V_o ~ 0V) associati allo stato logico 1 e 0 rispettivamente.

RIASSUMENDO: un transistor può essere adoperato

• come elemento di un circuito logico facendolo lavorare nello stato di

saturazione (V_CE = 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

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 dall’emettitore passa nel collettore, dopo avere attraversato la base (~ 1, poiché la base è poco drogata ed è stretta)  molto grande.

Riducendo ulteriormente la larghezza della base, la probabilità che un elettrone venga catturato da una lacuna nella base, (1-), diminuirà ulteriormente, aumenterà e così .

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-) diminuisce

 aumenta e aumenta 

se  passa da 0.995 a 0.996 (+ 1‰), varia da 199 a 249 (+ 25 %)

In conclusione: per I_B costante il guadagno del transistor aumenta aumentando V_CE le rette non sono orizzontali ma inclinate

Analogia idraulica per il transistor

Junction Field Effect Transistor (JFET) Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)

Transistor ad effetto di campo

• Dispositivi a semiconduttore a 3 terminali di facile fabbricazione e meno ingombranti dei BJT

• densità di componenti > 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

• 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

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 l’impianto di due zone a drogaggio n+

Source Drain

Gate

canale n

p⁺ p⁺

Junction Field Effect Transistor (JFET)

Source Drain

Gate

canale p

n+

n+

S

G

D

Che succede se aumentiamo il modulo di V_GS (<0) con V_DS =0?

La zona di svuotamento nel canale si allarga e per un certo valore di V_GS = V_P il

canale si chiude completamente,

cioè non ci sono più cariche libere disponibili.

Si dice che il canale è strozzato e il valore di V_GS per cui ciò avviene è detto tensione di pinchoff V_P.

P

S

G

D

La tensione di pinchoff è pari alla ddp tra il gate ed il punto P dove il canale si chiude completamente.

E’ possibile ottenere lo stesso effetto di strozzamento del canale anche se V_GS =0 V_DS

V_GS=0

S G

D

Aumentando V_DS la ddp tra gate e canale aumenta in modo asimmetrico, con un valore maggiore verso il D

 zona di svuotamento deformata.

Continuando ad aumentare V_DS si raggiunge lo strozzamento.

Il punto P si trova ad un potenziale

tale per cui V_GP = V_P = tensione di pinchoff.

Poiché V_GS =0, V_SP = V_GP = V_P, mentre V_DP 0 quindi V_DS = |V_P|

|V_P| si può definire come il valore minimo di V_DS che, per V_GS =0, causa il pinchoff.

Per V_DS>|V_P|, I_DS rimane costante (=I_DSS= corrente di saturazione).

Se V_GS ≠ 0,il pinchoff si verifica per valori di V_DS inferiori.

V_GS=0 V_DS G

S D

luogo dei punti di pinchoff V_GS=0

V

Aumentando V_DS si osserva che la ddp tra il punto P e il source rimane uguale a V_P mentre si origina una ddp tra drain e P pari a V_DS-|V_P|, grazie alla quale gli elettroni che raggiungono il punto P proseguono verso il drain.

La ddp per cui inizia la saturazione è data da V’_DS  V_GS -V_P

In questa relazione troviamo i comportamenti che abbiamo descritto finora:

per V_GS = V_P  V’_DS = 0 che produce I_DS = 0 qualunque sia V_DS per V_GS = 0  V’_DS = V_P

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 un’altra corrente più piccola).

zone di funzionamento del JFET

1. zona ohmica: V_DS è piccola e il canale è ancora aperto.

I_DS = K_p [2(V_GS-V_P)V_DS –V²_DS]  K_p [2(V_GS-V_P)V_DS] con 0 < V_DS≤(V_GS-V_P)

K_p = I_DSS/V²_P

2. zona di saturazione: V_DS>(V_GS –V_P), I_DS costante.

I_DS=K_p(V_GS-V_P)² dove V_P ≤V_GS ≤0

Il luogo dei punti di pinchoff (separazione tra zona

ohmica e di saturazione) si ottiene ponendo V_GS = V_DS +V_P I_DS = K_pV²_DS = eq.parabola

3. zona di interdizione: V_GS < V_P (con V_P<0). In questa zona I_DS =0.

4. zona di breakdown: V_DS è così elevata da causare un brusco aumento della corrente ed eventualmente la rottura del transistor.

per V_DS<<|V_P|

costante  legge di Ohm

V_GS=0

|V

|

• 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-

semiconduttore)

• 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

Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor

(MOSFET)

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 c’e’un 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 V_G > V_S(=V_sub)  gli elettroni vengono attirati nella zona tra D e S

creando un canale di conduzione.

Applicando una V_DS si avrà una corrente I_DS da D a S.

Tutto ciò avviene se V_GS ≥ V_t (tensione di soglia).

Il comportamento del MOSFET per

V_DS piccola è analogo a quello del JFET in zona ohmica.

Aumentare il valore di V_DS equivale a

diminuire la ddp tra D e G in prossimità del D  il canale si deforma e si restringe vicino al D.

Quando V_DS è tale per cui V_DG<V_t

(V_DG = V_GS –V_DS ≤ V_t) si ha una situazione di pinchoff analoga a quella vista nel JFET.

I_DS diventa indipendente da V_DS zona di saturazione del MOSFET

Aumentando ulteriormente V_DS si raggiunge la zona di breakdown (10÷ 100 V).

S D(+)

substrato p

n n

G (+) B

- - - -- - - - -- - -

0 1 2 3 4 5 V_DS,V

400

300

200

100

0

IDS, A

V_GS= 6 V V_GS= 5.5 V V_GS= 5 V V_GS= 4.5 V V_GS= 4 V

1. zona ohmica (V_DS ≤V_GS-V_t):

I_DS = K_p [2(V_GS-V_t)V_DS –V²_DS]

2. zona di saturazione (V_DS ≥ V_GS-V_t):

I_DS = K_p (V_GS-V_t)²

per V_GS=0, I_DS= K_p V_t² = I_DSS= 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.

S G

(metallo) D

substrato n

p p

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

Supponiamo di operare in modo di svuotamento (V_G < 0)

Aumentando V_DS 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.

V_p è il valore minimo di V_DSche causa la saturazione quando V_GS=0 ( ed è il valore di V_GS che causa il pinchoff quando V_DS=0).

La curva caratteristica di questo MOSFET è:

Saturazione: V_DS tale per cui

V_GD = V_GS –V_DS = V_P cioè V_DS = V_GS-V_P

1. zona ohmica (0 <V_DS ≤V_GS-V_p):

I_DS = K_p [2(V_GS-V_p)V_DS –V²_DS]

2. zona di saturazione (V_DS ≥ V_GS-V_p):

I_DS = K_p (V_GS-V_p)²

NMOS PMOS

dispositivi CMOS

carico PMOS

pilota NMOS

v_o

v_i +

- +V_DD

 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) = V_DD

Q1

Q2

per v_i =0 si ha V_GS1 = 0  Q1 è interdetto

V_GS2 = -V_DD  Q2 è acceso, ma la corrente è nulla  V_DS2 =0 e v_o= V_DD

v_i = V(0)  v_o = V(1)

Se v_i <V_T  NMOS in interdizione  PMOS in conduzione

v_o

PMOS NMOS

tensione di ingresso è bassa

tensione di uscita è alta ed è pari a V_DD

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 V_DD/2.

Ricordate che NMOS conduce se V_Gs >0 e PMOS conduce se V_Gs< 0

+ v_o -

PMOS NMOS

tensione di ingresso alta tensione di uscita è bassa

Se v_i >V_T  NMOS in conduzione  PMOS in interdizione

poiché D e S dei due transistor sono in serie nel canale del NMOS non passa mai corrente

carico PMOS

pilota NMOS

v_o v_i

+ - +V_DD

Q1

Q2

per v_i = V_DD = V_GS1  Q1 è acceso V_GS2 = 0  Q2 è spento

la corrente è nulla e quindi v_o= 0 v_i = V(1)  v_o = V(0)

Un circuito di questo tipo rappresenta un invertitore, cioè una porta logica NOT