Transistor a giunzione bipolare

Transistor a Giunzione Bipolare (BJT)

I transistor bipolari a giunzione, vengono indicati con la sigla "BJT" (Bipolar Junction Transistor); sono dispositivi al silicio o al germanio a tre terminali (attualmente i dispositivi al germanio sono in disuso).
I BJT sono utilizzati come dispositivi di amplificazione di segnali o come interruttori elettronici a due stati, di chiusura (ON) e di apertura (OFF).

Il termine "Transistor" deriva da "transfert resistor" ed evidenzia la proprietà di amplificazione dovuta al trasferimento della variazione di corrente su una resistenza con valore basso ad un'altra di valore più elevato, determinando in questo modo un amplificazione di tensione.

Struttura fisica dei BJT

IMMAGINE 1

IMMAGINE 2

Le immagini qui sopra riportate raffigurano la struttura fisica e il simbolo dei BJT, essi sono costituiti da tre regioni di materiale semiconduttore.

Se impieghiamo un semiconduttore di tipo n; uno di tipo p e un altro di tipo n, otteniamo un transistor di tipo npn riportato nella prima immagine.
La regione centrale è detta base (Base), ed è indicata con B; le altre due regioni sono dette una emettitore (Emitter), ed è indicata con E; l'altra invece è detta collettore (Collector), ed è indicata con C. La freccia disegnata nella figura sopra indica il verso della corrente uscente.

Se impieghiamo invece un semiconduttore di tipo p, uno di tipo n, e un alto di tipo p otteniamo il transistor riportato nella seconda immagine, ovvero un transistor pnp. Le regioni sono identiche all'altro transistor, quella centrale è la base, le altre due emettitore e collettore.
Quello che si deve notare è il senso della freccia che non è in direzione dell'emettitore ma in direzione della base, quindi è opposta rispetto all'altro.

Principio di funzionamento dei BJT

Se consideriamo il BJT npn la cui struttura è riportata qui sotto

notiamo che i tre semiconduttori danno origine a due giunzioni: "base-emettitore" e "base-collettore".
La giunzione "base-emettitore" è polarizzata direttamente dal generatore

: il terminale positivo è connesso al semiconduttore di tipo p (base), mentre il terminale negativo è connesso al semiconduttore di tipo n (emettitore). La giunzione "base-collettore" invece, è polarizzata inversamente dal generatore : il terminale positivo è connesso al semiconduttore di tipo n (collettore), mentre il terminale negativo è connesso al semiconduttore p (base).
Le resistenze e servono per limitare la corrente nel circuito.
Visto che la giunzione "base-emettitore" è polarizzata direttamente, si ha un flusso di elettroni che vanno dall'emettitore alla base, come in un diodo polarizzato direttamente.
La giunzione "base-collettore" viene invece polarizzata inversamente, quindi gli elettroni iniettati dall'emettitore, arrivati alla base si trovano ad essere portatori di minoranza; essi sentono il campo elettrico della regione di svuotamento fra collettore e base, che fa si che passino attraverso la giunzione e raggiungano il collettore.
Non tutti gli elettroni emessi dall'emettitore in base arrivano al collettore; una parte indicata con "Elettroni(r)", è raccolta dalla base.
In effetti, nella base si ha, una parziale ricombinazione fra gli elettroni iniettati e le lacune.
Attraverso il terminale di base sono iniettate lacune per compensare quelle perse per ricombinazione, dato che l'introduzione di lacune è, una sottrazione di elettroni, in figura si è rappresentata la ricombinazione di elettroni giunti in base come se gli elettroni fossero raccolti dal terminale di base.
La base è, peraltro stretta e poco drogata, quindi la percentuale di elettroni che si ricombinano è bassa.
Il terminale di base è interessato da altri flussi di cariche.
In primo luogo si ha un flusso di lacune che va dalla base all'emettitore, visto che la giunzione è polarizzata direttamente; la base però è poco drogata e questo comporta che la corrente di lacune sia bassa.
In secondo luogo la giunzione base-collettore è polarizzata inversamente, quindi si verifica un flusso di elettroni dalla base al collettore ed un flusso di lacune dal collettore alla base ed alla corrente di collettore si può considerare "trascurabile".
In definitiva, il BJT npn è caratterizzato da un flusso di elettroni dall'emettitore al collettore; si ha una debole corrente di base, dovuta alla ricombinazione degli elettroni iniettati nella base, ed alla corrente di lacune da base ad emettitore.
L'emettitore è stato cosi chiamato, in quanto inietta elettroni nella base, cioè emette elettroni; la regione centrale è indicata come base, cioè come elemento a cui fanno capo emettitore e collettore; il terminale verso cui fluiscono gli elettroni è detto collettore, in quanto raccoglie elettroni.

Nell'immagine qui sopra riportata vengono raffigurate le correnti corrispondenti ai flussi di carica descritti in relazione all'immagine precedente.
Il pedice n indica che la corrente è dovuta ad elettroni (cariche negative), mentre il pedice p indica che la corrente è dovuta a lacune (cariche positive).
Il verso convenzionale della corrente è quello delle cariche positive e, quindi ad ogni flusso di elettroni corrisponde una carica di senso opposto. dato che gli elettroni possiedono una carica negativa.
Il collettore è interessato essenzialmente dalla corrente

, che corrisponde al flusso di elettroni raccolto. La corrente , causata dalla polarizzazione inversa della giunzione base-collettore, è trascurabile, dato che base e collettore sono poco drogati.
Il pedice CO indica che è una corrente di collettore, che si ha anche quando l'emettitore è aperto (open); essa infatti dipende solo dalla polarizzazione inversa della giunzione, quindi è indipendente dall'emettitore. La corrente che entra nel collettore è circa uguale ad .
La base è interessata dalla corrente di ricombinazione degli elettroni, e dalla corrente dovuta alle lacune che attraversano la giunzione base-emettitore polarizzata direttamente. Trascurando , è .
L'emettitore, infine, è interessato dalla corrente , costituita dagli elettroni iniettati in base, e dalla corrente . La corrente che esce dall'emettitore vale quindi:
.
Considerazioni analoghe si possono fare per il transistor pnp. In questo caso il flusso di cariche che viene iniettato dall'emettitore nella base è costituito da lacune; esse, pervenute nella base, sentono in campo della giunzione base-collettore polarizzata inversamente, passano attraverso la suddetta giunzione e vengono raccolte dal collettore.
Si ha ancora una debole corrente di base, questa volta dovuta: in primo luogo, alla ricombinazione di lacune con gli elettroni, portatori di maggioranza alla base; in secondo luogo, al flusso di elettroni fra base ed emettitore, causato dalla polarizzazione diretta della giunzione base-emettitore.
La maggiore mobilità degli elettroni, nei confronti delle lacune, con la conseguente maggiore conducibilità, fa si che i transistor npn siano preferiti ai transistor pnp.

Tensioni e correnti nei BJT

In un BJT è conveniente riferire tutte le tensioni all'emettitore.
La tensione

si riferisce al potenziale del collettore rispetto all'emettitore; la tensione è riferita dalla base all'emettitore; la tensione tra collettore e base è .
Le correnti ai terminali esterni sono: , e .

Configurazione dei BJT

Un BJT è utilizzato come stadio di amplificazione in tre modi di connessione differenti:

Emettitore comune;

Base comune;

Collettore comune;

Le connessioni sono dette configurazioni del BJT.
I circuiti delle configurazioni prendono il nome dal terminale del BJT che, di volta in volta; viene usato come punto comune di riferimento per i segnali di ingresso e di uscita.