Transistor a giunzione bipolare (BJT) - Costruzione e dettagli operativi

Un transistor bipolare o un BJT è un dispositivo semiconduttore a 3 terminali che è in grado di amplificare o commutare tensioni e correnti di ingresso di piccoli segnali in tensioni e correnti di segnale di uscita significativamente più grandi.

Come si sono evoluti i transistor a giunzione bipolare BJT

Durante il 1904-1947, il tubo a vuoto è stato senza dubbio il dispositivo elettronico di grande curiosità e crescita. Nel 1904, il diodo a tubo a vuoto fu lanciato da J. A. Fleming. Subito dopo, nel 1906, Lee De Forest migliorò il dispositivo con una terza funzione, nota come griglia di controllo, producendo il primo amplificatore e denominata triodo.

Nei decenni successivi, la radio e la televisione hanno ispirato enormemente il business dei tubi. La produzione passò da circa 1 milione di tubi nel 1922 a circa 100 milioni nel 1937. All'inizio degli anni '30 il tetrodo a 4 elementi e il pentodo a 5 elementi acquisirono popolarità nel settore dei tubi elettronici.

Negli anni che seguiranno, il settore manifatturiero si evolve in uno dei settori più importanti e per questi modelli vengono realizzati rapidi miglioramenti, nei metodi di produzione, nelle applicazioni ad alta potenza e alta frequenza, e nella direzione della miniaturizzazione.

Il 23 dicembre 1947, tuttavia, l'industria elettronica stava assistendo all'arrivo di una 'direzione di interesse' e di miglioramento assolutamente nuova. A mezzogiorno si è scoperto che Walter H. Brattain e John Bardeen si sono esibiti e hanno dimostrato la funzione di amplificazione del primo transistor ai Bell Telephone Laboratories.

Il primissimo transistor (che aveva la forma di un transistor a punto di contatto) è mostrato in Fig. 3.1.

Cortesia dell'immagine: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Gli aspetti positivi di questa unità a stato solido a 3 pin in contrasto con il tubo sono stati immediatamente evidenti: si è rivelato molto più piccolo, poteva funzionare senza un `` riscaldatore '' o perdite di calore, era infrangibile e forte, era più efficiente in termini di consumo di energia, poteva essere memorizzato e accessibile con facilità, non richiedeva alcun avvio di riscaldamento iniziale e funzionava a tensioni operative molto più basse.

COSTRUZIONE A TRANSISTORE

Un transistor è fondamentalmente un dispositivo costruito con 3 strati di materiale semiconduttore in cui vengono utilizzati 2 strati di materiale di tipo n e un singolo strato di materiale di tipo p oppure 2 strati di materiale di tipo n. Il primo tipo è chiamato transistor NPN, mentre la seconda variante è chiamata transistor di tipo PNP.

Entrambi questi tipi potrebbero essere visualizzati nella figura 3.2 con un'appropriata polarizzazione DC.

Abbiamo già imparato come fare BJT DC biasing diventano essenziali per stabilire la regione operativa richiesta e per l'amplificazione AC. Per questo lo strato del lato emettitore è drogato in modo più significativo rispetto al lato di base che è drogato in modo meno significativo.

Gli strati esterni sono creati con strati di spessore molto maggiore rispetto ai materiali sandwich di tipo p o n. Nella Fig 3.2 sopra, possiamo trovare che per questo tipo la proporzione della larghezza totale rispetto allo strato centrale è di circa 0,150 / 0,001: 150: 1. Il drogaggio implementato sullo strato a sandwich è anche relativamente inferiore rispetto agli strati esterni che varia tipicamente tra 10: 1 o anche meno.

Questo tipo di drogaggio ridotto abbassa la capacità di conduzione del materiale e aumenta la natura resistiva limitando la quantità di elettroni in movimento libero o vettori 'liberi'.

Nel diagramma di polarizzazione possiamo anche vedere che i terminali del dispositivo sono mostrati usando le lettere maiuscole E per emettitore, C per collettore e B per base, nella nostra discussione futura spiegherò il motivo per cui questa importanza viene resa a questi terminali.

Inoltre, il termine BJT viene utilizzato per abbreviare transistor bipolare e designato per questi 3 dispositivi terminali. La frase 'bipolare' indica la rilevanza dei buchi e degli elettroni coinvolti durante il processo di drogaggio rispetto a una sostanza polarizzata in modo opposto.

FUNZIONAMENTO A TRANSISTORE

Vediamo ora il funzionamento fondamentale di un BJT con l'aiuto di una versione PNP della Fig 3.2. Il principio di funzionamento di una controparte NPN sarebbe esattamente simile se la partecipazione degli elettroni e le lacune fossero semplicemente scambiate.

Come si può vedere nella Figura 3.3, il transistor PNP è stato ridisegnato, eliminando la polarizzazione dalla base al collettore. Possiamo visualizzare come la regione di svuotamento appare ristretta in larghezza a causa della polarizzazione indotta, che causa un flusso massiccio del vettori di maggioranza attraverso p- ai materiali di tipo n.

Nel caso in cui la polarizzazione base-emettitore del transistor pnp venga rimossa come dimostrato in Fig 3.4, il flusso delle portanti maggioritarie diventa zero, consentendo il flusso solo delle portanti minoritarie.

In breve possiamo capirlo, in una situazione di parte una giunzione p-n di un BJT diventa polarizzata inversamente mentre l'altra giunzione è polarizzata in avanti.

Nella Fig. 3.5 possiamo vedere entrambe le tensioni di polarizzazione applicate a un transistor pnp, il che provoca il flusso di portante maggioritario e minoritario indicato. Qui, dalle larghezze delle regioni di esaurimento possiamo visualizzare chiaramente quale giunzione ha funzionando con una condizione polarizzata in avanti e quale è polarizzata inversamente.

Come mostrato nella figura, una quantità sostanziale di portatori di maggioranza finisce per essere diffusa attraverso la giunzione p-n polarizzata in avanti nel materiale di tipo n. Ciò solleva una domanda nelle nostre menti, questi vettori potrebbero svolgere un ruolo importante per promuovere l'attuale IB di base o consentirgli di fluire direttamente nel materiale di tipo p?

Considerando che il contenuto di tipo n inserito a sandwich è incredibilmente sottile e possiede una conduttività minima, eccezionalmente pochi di questi portatori prenderanno questo particolare percorso di alta resistenza attraverso il terminale di base.

Il livello della corrente di base è normalmente intorno ai microampere anziché ai milliampere per le correnti dell'emettitore e del collettore.

La gamma più ampia di questi portatori di maggioranza si diffonderà lungo la giunzione polarizzata inversamente nel materiale di tipo p attaccato al terminale del collettore come indicato nella Fig. 3.5.

La causa effettiva alla base di questa relativa facilità con cui ai portatori maggioritari è consentito di attraversare la giunzione polarizzata inversamente è rapidamente realizzata dall'esempio di un diodo polarizzato inverso in cui i portatori maggioritari indotti si presentano come portatori minoritari nel materiale di tipo n.

Per dirla diversamente, troviamo un'introduzione di portatori di minoranza nel materiale della regione di base di tipo n. Con questa conoscenza e insieme al fatto che per i diodi tutti i portatori di minoranza nella regione di svuotamento attraversano la giunzione polarizzata inversa, si ottiene il flusso di elettroni, come indicato in Fig. 3.5.

Supponendo che il transistor in Fig. 3.5 sia un singolo nodo, possiamo applicare l'attuale legge di Kirchhoff per ottenere la seguente equazione:

Il che mostra che la corrente dell'emettitore è uguale alla somma della corrente di base e del collettore.

Tuttavia, la corrente del collettore è composta da un paio di elementi, che sono cioè i vettori di maggioranza e minoranza come dimostrato in Fig. 3.5.

L'elemento portante corrente di minoranza qui costituisce la corrente di dispersione ed è simbolizzato come ICO (corrente IC con un terminale di emettitore aperto).

Di conseguenza, la corrente netta del collettore è stabilita come indicato nella seguente equazione 3.2:

La corrente del collettore IC è misurata in mA per tutti i transistor per uso generico, mentre ICO è calcolata in uA o nA.

ICO si comporterà abbastanza come un diodo polarizzato inverso e quindi potrebbe essere vulnerabile ai cambiamenti di temperatura, e quindi deve essere adeguatamente preso cura durante il test, specialmente nei circuiti che sono progettati per funzionare in scenari di intervallo di temperatura ampiamente variabili, altrimenti il ​​risultato può essere enorme influenzato a causa del fattore di temperatura.

Detto questo, a causa dei numerosi miglioramenti avanzati nel layout di costruzione dei transistor moderni, l'ICO è notevolmente ridotto e può essere completamente ignorato per tutti i BJT di oggi.

Nel prossimo capitolo impareremo come configurare i BJT nella modalità base comune.

Riferimenti: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen