Esperienza n 7: CARATTERISTICHE di transistor BJT e MosFet
Caratteristica del transistor bipolare (BJT)
Il transistor bipolare è uno dei principali dispositivi a semiconduttore utilizzato per amplificare elettricamente un segnale o come commutatore digitale.
Il transistor bipolare (BJT) è un dispositivo costituito da due giunzioni come rappresenta in fig. 1.
Fig. 1 Schematizzazione di un transistor NPN in conduzione
I cristalli di semiconduttore che costituiscono l’emettitore ed il collettore sono drogati con materiale pentavalente (tipo n) e la base con materiale trivalente (tipo p). La base è molto sottile (nell’ordine del micron).
Una differenza importante fra collettore e emettitore è rappresentata dai diversi valori di drogaggio. L’emettitore, fortemente drogato svolge la funzione che, se la giunzione base- emittore è polarizzata direttamente, inietta elettroni nella base.
Essendo la base poco drogata gli elettroni possono facilmente raggiungere la giunzione base - collettore (nella base gli elettroni sono portatori minoritari essendo drogata p) e se questa è polarizzata inversamente cioè il collettore si trova a potenziale positivo rispetto alla base, gli elettroni possono raggiungere il collettore e dare luogo ad una corrente (si intende corrente di cariche positive) che dal collettore raggiunge l’emettitore.
Alcuni elettroni iniettati dall’emettitore nella base si ricompongono con le poche lacune presenti essendo la base dotata di pochi atomi droganti di tipo p e formano la corrente di base - emettitore.
Questo meccanismo può anche essere visto altro modo:
p n
Vbe
E B
n
Vcb C
se nella giunzione base - emettitore passa una corrente Ib, allora l’emettitore emette elettroni che a causa del minimo spessore della base possono raggiungere il collettore e formare una corrente Ic molto più grande della Ib.
Un transistor di questo si chiama bipolare (BJT) perché la conduzione avviene sia per i portatori maggioritari nell’emettitore e collettore che per portatori minoritari nella base.
Esistono due tipi di transistor: il tipo NPN di cui si è parlato ed il cui simbolo è rappresentato il fig. 2a ed il transistor PNP presentato in fig. 2b. Si differenziano fra loro per il disegno dell’emettitore, la cui freccia per il tipo PNP sta ad indicare che si iniettano buchi nella base.
Fig.2a Transistor npn Fig. 2b Transistor pnp
Considerando il transistor come una scatola nera si può definirlo come un quadripolo avente due morsetti di ingresso e due di uscita. Per il suo utilizzo si richiede pertanto di conoscere le caratteristiche di ingresso e di uscita.
Lo schema elettrico consigliato è presentato in fig. 3 dove il transistore è collegato ad emettitore comune.
Fig. 3 Schema elettrico per ricavare le caratteristiche di un transistor
Il comportamento del transistor collegato in questo modo è la seguente: facendo passare una piccola corrente Ib dentro la base si ottiene un grande passaggio di corrente Ic sul collettore. Il rapporto di amplificazione e definito come:
ββββf = hFE = Ic/Ib
PNP C B
E C
NPN B
E
Ib
Vbe
V
Vcc 10k
quadripolo in esame
V
EC
mA
Vce Vbb
B TIP 31
Ic
uA
Questa amplificazione è generalmente compressa fra 30 e 500 e dipende oltre che dalla sua costruzione, anche dalla temperatura del transistor, infatti l’espressione della corrente in una giunzione, data nell’esperimento del diodo:
I I (e VT 1)
Vd 0
d ==== ηηηη −−−−
dipende dalla temperatura assoluta sia nella corrente I0 che nel valore dell’esponente. A parità di tensione applicata ai capi della giunzione, aumentando la temperatura aumenta la corrente nella giunzione. Per evitare che le caratteristiche che si stanno ricavando siano compromesse dal forte aumento della temperatura del transistor è necessario limitare la potenza dissipata soprattutto nel circuito di collettore disegnando, prima di iniziare le misure, la curva di massima potenza:
Pmax = Vce Ic
che nel piano Ic = f(Vce) è rappresentata da un iperbole.
Un transistor disponibile in laboratorio è del tipo NPN con sigla TIP 31 e può dissipare al massimo 2W, pertanto se la tensione Vce è 2V si può far passare 1A, mentre con Vce
= 6V la Ic diventa 0,33A, infine per Vce = 12V la Ic si riduce a 0,16A.
Si richiede di ricavare la famiglia di curve Ic = f(Vce) per Ib = costante come presentato in fig. 4 costruendo la tabella 1.
Ic mA
200 600µA
500µA
150
400µA
300µA
100
200µA
50
100µA
2 4 6 8 10 12 Vce V Fig. 4 Caratteristica Ic = f(Vce) per Ib = costante
Procedimento:
- Impostare una corrente di base 50 µµµµA letta sul tester analogico - Leggere la tensione Vbe sul tester digitale
- Variare la tensione Vce e leggere la corrente indicata dal generatore.
- Impostare una corrente di base 100 µµµµA e rifare le misure cambiando Vce
Ib µA Vce Volt Vbe Volt Ic mA
50 0 --- ---
50 0,5 --- ---
50 1 --- ---
50 --- --- ---
50 12 --- ---
100 0,5 --- ---
100 0 --- ---
100 --- --- ---
100 12 --- ---
Tabella 1
Ricavare una famiglia di curve per valori di corrente di base fino a 500 µµµµA
Dagli stessi dati si può ricostruire la famiglia di curve per Vbe = f(Ib) con Vce = cost come presentato in fig. 5
Graficare ββββf = f(Ic) per Vce = 6 V
Fig. 5 Tensione di base in funzione della corrente di base per Vce = 6 V 0
0,2 0,4 0,6 0,8
0 200 400 600 800
corrente Ib uA
tensione Vbe Volt
Dalle caratteristiche ricavate si può osservare che:
Impostando una corrente Ib si ha un passaggio di corrente Ic cioè la corrente di comando Ib risulta essere amplificata di un fattore ββββf poco dipendente da Vce quindi in prima grossolana approssimazione si può ritenere che l’uscita (collettore emettitore) del nostro quadripolo sia rappresentabile da un generatore di corrente il cui valore vale Ic = ββββf Ib
La dipendenza della temperatura si può osservare dal fatto che la corrente Ic a parità di Ib cambia se il transistor si scalda.
Dalla caratteristica di ingresso Vbe = f(Ib) si osserva che la tensione Vbe risulta essere compresa fra 0,5 e 0,7 cioè circa costante ed è assimilabile al modello del diodo.
In definitiva dalle caratteristiche ricavate si può ritenere che il transistor sia rappresentabile dal modello presentato in fig. 6 in cui l’ingresso è costituito da una resistenza Rππππ di circa 500ΩΩ ed un generatore VΩΩ γγγγ di 0,5 V oppure per semplificare solo di una Vσσσσ di 0,7 V. L’uscita è composta da un generatore di corrente di valore ββββfIb.
Rππππ
Vγγγγ ββββfIb
Fig. 6 Modello di transistor BJT
Sistema di Acquisizione dati (DAQ)
Nel laboratorio IV è disponibile un sistema di rilevamento delle caratteristiche di transistor BJT e MOS mediante l'uso di un'interfaccia collegata ad un calcolatore.
Lo studente è perciò libero di scegliere se usare il sistema manuale o automatico L'interfaccia che collega il calcolatore ed il quadripolo in esame (transistor) è situata all'interno del calcolatore e non è (di norma) accessibile allo studente.
L'interfaccia invia due tensioni VBB e VCC e misura due tensioni VBE e VCE.
I collegamenti da effettuare sulla basetta porta transistor sono illustrati nella fig. 7.
Per misurare la corrente che circola nella base IB del transistor il software disponibile effettua l' operazione:
. .
. .
.
R1
100k
VCE
VBB
IC
G
VBE
VCC
VBE
U1
R2 1k
G IB
VBB
VCE
0
B BE BB
B R
V I ==== V −−−−
mentre la corrente IC
c CE CC
C R
V I ==== V −−−−
Fig.7 Disposizione dei collegamenti da effettuare per il sistema di acquisizione.
Sono da collegare i generatori VBB e VCC; VBE e VCE, sono tensioni dal leggere.
Le operazioni che il software produce sono:
1) Genera una tensione VBB che produce nella base una corrente IB;
durante questa fase viene applicata una tensione VCC che nel tempo si incrementa. Ad ogni incremento di VCC viene misurata la tensione VCE e calcolata la corrente IC. La tensione Vcc può essere incrementata fino a 10V con passi da impostare dal pannello di controllo.
Per ogni valore di IB si ha una curva IC = f (VCE) per IB = costante.
2) Il programma incrementa la VBB di uno “step” e si ripete nuovamente il ciclo di VCC. Si ottiene una famiglia di curve per IB = cost
Il grafico in funzione del tempo delle tensioni generate è presentato in fig. 8.
Controllare con l’oscilloscopio a memoria e facendo uso dei “probe” disponibili le tensioni che genera l’ interfaccia.
Modo di operare
Cliccare sull’icona “Caratteristiche di uscita del transistor” Il programma presenta sul monitor il pannello di controllo con impostazioni di “default”. Lo studente deve cambiare le impostazioni in modo da acquisire un numero di dati sufficienti per la
successiva elaborazione (eventualmente con Excel disponibile in laboratorio), calcolando il numero finale di dati che si ottengono.
Esempio: se si impostana Vcc finale fino a 10V con step di 0,1V si ottengono per ogni curva 100 punti. Se si imposta una VBB fino a 3V con step di 0,1 V si ottengono 30 curve.
Impostare il valore della resistenza di collettore Rc. Per calcolare questo valore bisogna conoscere la massima corrente che il generatore Vcc può fornire (nel nostro caso risulta di 10 mA). Se il transistor conducesse moltissimo al limite la tensione VCE risulterebbe uguale a zero, perciò ==== −−−− ≈≈≈≈ ==== ====1kΩΩΩΩ
10 10 10 V 10
V
RCmin VCC CE CC
Impostare il valore della resistenza RB. Per calcolare questo valore si può ricordare che il βf dei transistor BJT è compreso fra 50 –300, quindi la corrente di base massima sarà I 10 0,2 0,03mA
I
f f
CMAX
BMAX ≈≈≈≈ ÷÷÷÷
====ββββ
==== ββββ
Applicando una VBB di 3V si ottiene una RB di:
==== −−−− ≈≈≈≈11÷÷÷÷76kΩΩΩΩ I
7 , 0 R 3
BMAX B
VBB
t
VCC
t Fig. 8 Forme d’onda di VCC e VBB generate dall’interfaccia fra
calcolatore e sistema in esame
Ricordare che questi valori sono solo indicativi: si può aumentare la VBB ed aumentare contemporaneamente il valore della RB. Lo studente è libero di provare.
Impostati questi valori sul pannello di controllo e realizzati i collegamenti fra la basetta e l’interfaccia con i componenti (il transistor è già montato sulla basetta disponibile ed è un transistor npn di bassa potenza), si può lanciare il programma.
Alla fine dell’acquisizione verrà presentata la famiglia di curve e richiesto se si vogliono salvare i dati. Sarebbe preferibile salvare solo i dati interessanti per non intasare il disco fisso. Il file così generato può essere elaborato con il programma Excel per ricavare il ββββf del transistor
Nel caso si usasse il sistema DAQ, la potenza generata dalla scheda di interfaccia risulta essere molto piccola rispetto alle possibilità di dissipazione del transistor in esame ed è perciò inutile disegnarla, ma si potrebbe provare disegnare la curva di massima potenza per PMAX ====20mWed abbinarla alla famiglia di curve ricavate.
Caratteristiche di ingresso
Con lo stesso circuito si può anche ricavare la famiglia IB = f(VBE) per Ic = cost., usando il programma “Caratteristiche di ingresso”.
Anche in questo caso alla fine del ciclo di acquisizione si può memorizzare il file.
Osservare che la tensione base – emittore del transistor rimane entro i limiti 0,5 – 0,7 V.
Transistor MOSFET
Il transistor Mosfet è un altro tipo di “device” a semiconduttore attualmente molto usato soprattutto nei circuiti logici dei calcolatori, memorie, CPU ecc.
A differenza del transistor BJT, che richiede una corrente di base come comando, il Mosfet è comandato da una tensione.
La struttura di un transistor MosFet a canale n ad arricchimento è disegnata in fig. 9 S G D
isolante
n- n- p
Fig. 9 Struttura di un MosFet
Gli elettrodi drain e source sono collegati a pozzetti di semiconduttore fortemente drogati con materiale pentavalente (n), il substrato è drogato debolmente p, quindi applicando una tensione positiva fra drain e source non si ha passaggio di corrente.
Applicando una tensione positiva fra gate e source si inducono delle cariche negative nel substrato al di sotto dell’isolante, come in un comune condensatore (si addensano elettroni liberi, ceduti dai pozzetti fortemente drogati e dal substrato). In questo caso si può avere passaggio di corrente fra drain e source dovuto ad elettroni.
Da notare che è sufficiente una tensione applicata all’ elettrodo di gate per provocare una corrente fra drain e source.
Il simbolo del del Mosfet è rappresentato in figura 10 (si usano in alternativa anche altre rappresentazioni):
transistor BJT npn MosFet canale n MosFet canale p Fig. 10 Simboli usati per rappresentare i transistor BJT e MosFet
Il gate G è l'elettrodo di comando. Applicando una tensione positiva (per il tipo a canale n ad arricchimento, come quelli disponibili in laboratorio) si abilita un passaggio di corrente fra D (Drain) e S (Source) se VDS è positiva.
Il MosFet a canale n richiede una tensione positiva sul Drain rispetto al Source mentre il canale p richiede una tensione negativa.
Sono disponibili 4 tipi di MosFet:
canale p ad arricchimento canale p a svuotamento canale n ad arricchimento canale n a svuotamento
ma l'approfondimento di questi "device" esula dal contesto di laboratorio IV e verrà ripreso nei corsi di Elettronica.
Una famiglia di caratteristiche di uscita di un Mosfet a canale n ad arricchimento è rappresentata in fig. 10.
E
D D
S S
G C
G B
ID mA
10 3,5VGS
8
3,4=VGS
6
4 3,3=VGS
3,2=VGS
2 3,1=VGS
3=VGS
2 4 6 8 10 VDS
Fig. 10 Caratteristica ID = f(VDS) per VGS = costante
In fig. 11 è presentato lo schema elettrico da realizzare ed i quattro collegamenti necessari per il funzionamento dell’ interfaccia ed il software relativo. Anche in questo caso la resistenza R2 è necessaria perché l’interfaccia è in grado di leggere solo tensioni e non correnti.E’ inutile la resistenza R1,infatti, come detto precedentemente, nel GATE non circola corrente.
Fig. 11 Schema da realizzare per ricavare le caratteristiche di un MosFet
Analizzando i dati ricavati, si può costruite una curva Id = f(VGS) per VDS = cost. e Verificare se rappresenta una parabola.
Nell' appendice sono rappresentati i pannelli di controllo che compaiono sul monitor del calcolatore con valori di “default”. E’ compito dello studente cambiarle per ottenere il miglior risultato.
MOSFET N
VGS
R1 10k
R2 1k
VGG .
.
G ID
S D
VDS VDD
