Transistore a Giunzione Bipolare

Definizione di BJT

Un Bipolare a Giunzione (anche noto come BJT o Transistor BJT) è un dispositivo semiconduttore a tre terminali costituito da due giunzioni p-n in grado di amplificare o ingrandire un segnale. È un dispositivo controllato dalla corrente. I tre terminali del BJT sono la base, il collettore ed l'emettitore. Un BJT è un tipo di transistor che utilizza sia elettroni che buchi come portatori di carica.

Un segnale di piccola ampiezza, se applicato alla base, è disponibile in forma amplificata al collettore del transistor. Questa è l'amplificazione fornita dal BJT. Si noti che richiede una fonte esterna di alimentazione continua per eseguire il processo di amplificazione.

Esistono due tipi di transistor a giunzione bipolare – i transistor NPN e i transistor PNP. Di seguito è riportata una diagramma di questi due tipi di transistor a giunzione bipolare.

Dalla figura sopra, possiamo vedere che ogni BJT ha tre parti chiamate emettitore, base e collettore. JE e JC rappresentano rispettivamente la giunzione dell'emettitore e la giunzione del collettore. Inizialmente è sufficiente sapere che la giunzione base-emettitore è polarizzata direttamente e le giunzioni base-collettore sono polarizzate inversamente. Il prossimo argomento descriverà i due tipi di questi transistor.

Transistor Bipolare a Giunzione NPN

In un transistor bipolare n-p-n (o transistor npn) un semiconduttore p-type si trova tra due semiconduttori n-type. Nella figura sottostante è mostrato un transistor n-p-n. Ora IE, IC sono rispettivamente la corrente dell'emettitore e la corrente del collettore, mentre VEB e VCB sono rispettivamente la tensione emettitore-base e la tensione collettore-base. Secondo la convenzione, se per l'emettitore, la base e il collettore, le correnti IE, IB e IC entrano nel transistor, il segno della corrente viene considerato positivo e se la corrente esce dal transistor, il segno viene considerato negativo. Possiamo tabulare le diverse correnti e tensioni all'interno del transistor n-p-n.

Transistor Bipolare a Giunzione PNP

Analogamente, per il transistor a giunzione bipolare p-n-p (o transistor pnp), un semiconduttore n-type è inserito tra due semiconduttori p-type. La figura di un transistor p-n-p è mostrata di seguito.

Per i transistor p-n-p, la corrente entra nel transistor attraverso il terminale dell'emettitore. Come per qualsiasi transistor a giunzione bipolare, la giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente e la giunzione collettore-base è polarizzata inversamente. Possiamo tabulare la corrente dell'emettitore, della base e del collettore, così come la tensione emettitore-base, collettore-base e collettore-emettitore per i transistor p-n-p.

Principio di Funzionamento del BJT

La figura mostra un transistor n-p-n polarizzato nella regione attiva (vedi polarizzazione del transistor), la giunzione BE è polarizzata direttamente mentre la giunzione CB è polarizzata inversamente. La larghezza della regione di deplezione della giunzione BE è piccola rispetto a quella della giunzione CB.

La polarizzazione diretta alla giunzione BE riduce la barriera di potenziale, permettendo agli elettroni di fluire dall'emettitore alla base. Poiché la base è sottile e leggermente dopata, ha pochissimi buchi. Circa il 2% degli elettroni provenienti dall'emettitore ricombina con i buchi nella base e fluisce fuori attraverso il terminale della base.

Questo costituisce la corrente di base, che fluisce a causa della ricombinazione di elettroni e buchi (si noti che la direzione della corrente convenzionale è opposta a quella del flusso degli elettroni). La grande quantità di elettroni rimanenti attraverserà la giunzione collettore polarizzata inversamente per costituire la corrente di collettore. Quindi, secondo KCL,

La corrente di base è molto piccola rispetto alla corrente dell'emettitore e del collettore.

Qui, la maggior parte dei portatori di carica sono elettroni. L'operazione di un transistor p-n-p è la stessa di un n-p-n, l'unica differenza è che i portatori di carica maggioritari sono buchi invece di elettroni. Solo una piccola parte della corrente fluisce a causa dei portatori maggioritari e la maggior parte della corrente fluisce a causa dei portatori minoritari in un BJT. Pertanto, vengono chiamati dispositivi a portatori minoritari.

Circuito Equivalente del BJT

Una giunzione p-n è rappresentata da un diodo. Poiché un transistor ha due giunzioni p-n, è equivalente a due diodi collegati back-to-back. Questo è chiamato analogia dei due diodi del BJT.

Caratteristiche dei Transistor Bipolari a Giunzione

Le tre parti di un BJT sono il collettore, l'emettitore e la base. Prima di conoscere le caratteristiche del transistor bipolare a giunzione, dobbiamo conoscere i modi di funzionamento per questo tipo di transistor. I modi sono

• Modalità Base Comune (CB)

• Modalità Emettitore Comune (CE)

• Modalità Collettore Comune (CC)

Tutti e tre i tipi di modalità sono mostrati di seguito

Ora, parlando delle caratteristiche del BJT, ci sono caratteristiche diverse per diverse modalità di funzionamento. Le caratteristiche non sono altro che forme grafiche delle relazioni tra diverse variabili di corrente e tensione del transistor. Le caratteristiche per i transistor p-n-p sono date per diverse modalità e diversi parametri.

Caratteristiche Base Comune

Caratteristiche d'Ingresso

Per il transistor p-n-p, la corrente d'ingresso è la corrente dell'emettitore (IE) e la tensione d'ingresso è la tensione collettore-base (VCB).

Poiché la giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente, quindi il grafico di IE vs VEB è simile alle caratteristiche in avanti di un diodo p-n. IE aumenta per VEB fissa quando VCB aumenta.

Caratteristiche d'Uscita

Le caratteristiche d'uscita mostrano la relazione tra la tensione d'uscita e la corrente d'uscita. IC è la corrente d'uscita e la tensione collettore-base, mentre la corrente dell'emettitore IE è la corrente d'ingresso e funge da parametro. La figura sottostante mostra le caratteristiche d'uscita per un transistor p-n-p in modalità CB.

Come sappiamo, per i transistor p-n-p IE e VEB sono positivi e IC, IB, VCB sono negativi. Ci sono tre regioni nella curva, la regione attiva, la regione di saturazione e la regione di interruzione. La regione attiva è la regione in cui il transistor opera normalmente.

Qui la giunzione dell'emettitore è polarizzata inversamente. Ora, la regione di saturazione è la regione in cui entrambe le giunzioni emettitore-collettore sono polarizzate direttamente. E infine, la regione di interruzione è la regione in cui entrambe le giunzioni emettitore e collettore sono polarizzate inversamente.

Caratteristiche Emettitore Comune

Caratteristiche d'Ingresso

IB (Corrente di Base) è la corrente d'ingresso, VBE (Tensione Base-Emettitore) è la tensione d'ingresso per la modalità CE (Emettitore Comune). Quindi, le caratteristiche d'ingresso per la modalità CE saranno la relazione tra IB e VBE con VCE come parametro. Le caratteristiche sono mostrate di seguito

Le caratteristiche d'ingresso tipiche CE sono simili a quelle di un diodo p-n polarizzato in avanti. Ma man mano che VCB aumenta, la larghezza della base diminuisce.

Caratteristiche d'Uscita

Le caratteristiche d'uscita per la modalità CE sono la curva o grafico tra la corrente del collettore (IC) e la tensione collettore-emettitore (VCE) quando la corrente di base IB è il parametro. Le caratteristiche sono mostrate nella figura sottostante.

Come le caratteristiche d'uscita del transistor a base comune, anche la modalità CE ha tre regioni chiamate (i) regione attiva, (ii) regione di interruzione, (iii) regione di saturazione. La regione attiva ha la regione del collettore polarizzata inversamente e la giunzione dell'emettitore polarizzata direttamente.

Per la regione di interruzione, la giunzione dell'emettitore è leggermente polarizzata inversamente e la corrente del collettore non è completamente interrotta. E infine, per la regione di saturazione, entrambe le giunzioni del collettore e dell'emettitore sono polarizzate direttamente.