Fondamenti di elettronica

Effetto transistor

Il transistor funziona grazie alla regione di base stretta e alla bassa concentrazione di impurità nel collettore. In

modalità attivo diretto, la corrente fluisce principalmente da collettore a emettitore attraverso la base, un

comportamento che differenzia il transistor da due diodi messi insieme (che bloccherebbero la corrente tra collettore

ed emettitore).

L’effetto transistor in un BJT npn in modalità attiva diretta consente di amplificare la corrente tra base e collettore.

Ecco come funziona:

1. Configurazione e Polarizzazione:

○ La giunzione collettore-base (JC) è polarizzata inversa (VC > VB), mentre la giunzione emettitore-base

(JE) è polarizzata diretta (VB > VE).

○ La base è sottile e collegata a una tensione intermedia, l'emettitore è a massa (GND).

2. Flusso di Elettroni:

○ Gli elettroni fluiscono dall'emettitore (n) alla base (p).

○ Gli elettroni che entrano in base sono cariche minoritarie e attraversano rapidamente la base sottile senza

ricombinarsi, finendo nel collettore grazie alla polarizzazione inversa della JC.

3. Flusso di Corrente:

○ Questo movimento crea una corrente collettore-emettitore (IC) che va da collettore (C) a emettitore (E).

○ Solo una piccola corrente IB entra nella base e scorre verso l'emettitore, e la corrente totale dall'emettitore

è data da IE = IC + IB.

4. Amplificazione:

○ Il rapporto tra corrente di collettore e base è controllato dal guadagno β del transistor, dove IB = IC/β

(tipicamente β è tra 20 e 500).

○ Finché VCE > VBE, il transistor rimane in modalità attiva, indipendentemente da quanto è alta la VCE. Ma

se VCE < VBE, il transistor entra in saturazione (transistor "acceso").

Questo effetto consente al BJT di amplificare segnali in ingresso, grazie alla base stretta e alla struttura npn.

In un BJT npn configurato a emettitore comune, il funzionamento può essere semplificato così:

1. Polarizzazione diretta del diodo Base-Emettitore:

○ Se la tensione tra base ed emettitore (VBE) è maggiore di 0,7V, il diodo tra base ed emettitore è

polarizzato direttamente. Questo fa scorrere una corrente di base IB diversa da zero.

2. Corrente di Collettore:

○ Quando scorre IB, si genera una corrente nel collettore IC = β · IB, dove β è il guadagno di corrente del

transistor.

○ Questo significa che una piccola corrente IB in base controlla una corrente molto più grande IC tra collettore

ed emettitore.

3. Condizione di blocco:

○ Se VBE è inferiore a 0,7V, il diodo base-emettitore non è polarizzato direttamente. In questo caso, non c’è

corrente né in base, né in collettore, né in emettitore: il transistor è "spento".

In breve: per "accendere" il BJT npn, serve VBE > 0,7V; così una piccola IB permette una corrente maggiore IC tra

collettore ed emettitore.

Interdizione:

● Se le due giunzioni (base-collettore JC e base-emettitore JE) sono polarizzate inversamente, non scorre

corrente tra i terminali.

● Ci sono solo piccolissime correnti di minoranza (trascurabili), quindi il transistor è “spento”.

Saturazione:

● Quando le due giunzioni (JC e JE) sono polarizzate direttamente (collettore-base e base-emettitore sono

entrambi attivati), il BJT entra in saturazione.

● In questo caso, la tensione VCE (tra collettore ed emettitore) è circa 0,3V, mentre VBE è circa 0,75V.

● Anche aumentando la corrente di base IB, la corrente di collettore IC non cresce più proporzionalmente: la

corrente IB diventa maggiore di IC/β.

Conduzione nei BJT npn e pnp:

● Per far condurre un npn, bisogna applicare una VBE > 0,7V, così la corrente scorre da collettore a

emettitore.

● Per un pnp, invece, serve VEB > 0,7V (o VBE < -0,7V), e la corrente scorre da emettitore a collettore.

Punto di lavoro Q:

● Per impostare il BJT in uno stato stabile (un "punto di lavoro" definito), bisogna trovare corrente e tensione in

base alla rete di polarizzazione del circuito.

Ecco una spiegazione semplice del processo di fabbricazione di un transistore BJT npn:

1. Preparazione della superficie:

○ Si inizia con una base di silicio drogata (trattata per dare il tipo di conduzione desiderata).

○ Sopra questa base, si crea uno strato di biossido di silicio (SiO₂), che serve come protezione.

2. Strato di fotoresist e maschera:

○ Si applica uno strato di fotoresist, un materiale sensibile alla luce, e si posiziona una maschera sopra di

esso.

○ La maschera è come uno stencil: copre alcune parti e lascia altre esposte.

3. Esposizione alla luce ultravioletta:

○ La superficie viene esposta alla luce ultravioletta (UV).

○ La luce UV modifica il fotoresist nelle zone non coperte dalla maschera, che vengono poi rimosse

chimicamente.

4. Rimozione del SiO₂:

○ Attraverso processi chimici, si rimuove il biossido di silicio (SiO₂) nelle aree esposte, lasciando varchi.

○ Questi varchi permettono l’inserimento dei droganti necessari per definire le regioni del transistor.

5. Difficoltà nell'integrazione delle resistenze:

○ Integrare resistenze all’interno di circuiti BJT è più complicato, perché richiede spazi e trattamenti specifici

nel processo di fabbricazione.

Questo metodo permette di creare le diverse aree di conduzione (emettitore, base e collettore) per il

funzionamento del transistor npn.

Il condensatore MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) è creato da uno strato sottile di biossido di silicio (SiO₂) che

funge da dielettrico tra un elettrodo di metallo (gate) e il substrato di silicio. Ecco come funziona in base alla

tensione applicata al gate (VG):

1. Accumulo (VG negativo o nullo):

○ Quando VG è negativo o nullo, le lacune (cariche positive) si accumulano vicino allo strato di SiO₂ dal

lato del substrato.

○ Questo crea una regione ricca di lacune, ma senza inversione di cariche.

2. Svuotamento (VG positivo ma minore di Vth):

○ Quando si applica una tensione positiva (ma inferiore alla soglia Vth), le lacune vengono respinte dallo

strato di SiO₂.

○ Si forma quindi una zona di svuotamento, ossia una regione del substrato vicino al gate che ha pochissime

cariche libere e una debole carica negativa.

3. Inversione (VG positivo e maggiore di Vth):

○ Quando la tensione VG è maggiore della soglia Vth, avviene un effetto chiamato inversione: si formano

cariche negative (elettroni) nel substrato, vicino allo strato di SiO₂.

○ Questo forma un canale di tipo n che permette la conduzione di corrente tra drain e source (in un MOSFET

a canale n).

In breve, il comportamento del condensatore MOS varia in base alla tensione del gate e consente la formazione di

regioni di carica diverse (accumulo, svuotamento e inversione) fondamentali per il funzionamento dei MOSFET.

Nel condensatore MOS, quando la tensione sul gate (VG) supera una certa soglia (Vth), si forma un'area

chiamata area di inversione.

Cosa succede nell'area di inversione?

● Nel substrato di tipo p (ricco di lacune, o cariche positive), l'alta tensione positiva sul gate attira elettroni

(cariche negative) verso la superficie del substrato, vicino allo strato isolante di SiO₂.

● Questa concentrazione di elettroni crea un canale di tipo n proprio sotto il gate.

Perché è importante?

● Questo canale di tipo n consente la conduzione di corrente tra i terminali di source e drain del

MOSFET, permettendo al dispositivo di funzionare come un interruttore controllato dalla tensione applicata al gate.

In sintesi, l'area di inversione nel condensatore MOS si comporta come un canale conduttivo di tipo n, essenziale

per il funzionamento dei dispositivi MOSFET.

Il transistor MOS è simile a un condensatore, con due regioni opposte ai lati: source e drain.

Come funziona?

1. Creazione del canale: Quando la tensione tra gate e source (VGS) è superiore alla tensione di soglia

(Vth), si forma un canale di tipo n tra source e drain (tipico per un transistor nMOS).

2. Conduzione della corrente: Se c'è una differenza di tensione tra drain e source (VDS > 0), la corrente

può fluire attraverso il canale.

3. Isolamento del Body: Il body (substrato) non contribuisce alla conduzione della corrente, quindi la

corrente di body è nulla.

4. Ingresso capacitivo: Il gate è isolato dallo strato di SiO₂ (ossido di silicio), quindi si comporta come un

condensatore e non lascia passare corrente attraverso il gate stesso (IG = 0). Ciò riduce le perdite di energia.

In breve, un MOS funziona creando un canale conduttivo controllato dalla tensione VGS e presenta un ingresso

capacitivo, senza perdite di corrente attraverso il gate.

Il transistor MOS (nMOS) funziona così:

1. Creazione del canale: Il transistor ha due zone, source e drain, tra cui può fluire corrente. Quando si

applica una tensione VGS (tra gate e source) superiore a una certa soglia (Vth), si forma un canale di tipo n tra

drain e source, permettendo la conduzione.

2. Condizioni per la conduzione: Per avere conduzione, è necessario anche che ci sia una tensione VDS (tra

drain e source) maggiore di zero.

3. Corrente di Body nulla: Il body (substrato) del transistor non contribuisce alla corrente, quindi la corrente

nel body è nulla.

4. Ingresso isolato: Il gate è separato dal canale da uno strato di ossido, che lo isola e fa sì che la corrente IG

sia nulla, riducendo le perdite.

In sintesi, il transistor MOS funziona come un interruttore controllato dalla tensione VGS, senza perdite di corrente

dal gate.

1. Regione Lineare (comportamento resistivo)

● Quando la tensione tra gate e source (VGS) supera la soglia (Vth) e VDS è più piccolo di VGS - Vth, il

transistor si comporta come un resistore controllato da VGS.

● In questa condizione, si ha una corrente IDIDID che scorre da drain a source proporzionale sia a VGS che

a VDS: ID=k⋅(VGS−Vth)⋅VDSID = k \cdot (VGS - Vth) \cdot VDSID=k⋅(VGS−Vth)⋅VDS

● Con valori piccoli di VDS, il comportamento tra drain e source è quasi lineare, come in un resistore.

2. Regione di Saturazione (pinch-off)

● Se VDS cresce e diventa maggiore di VGS - Vth, il canale tra drain e source si "strozza" (pinch-off),

riducendo il flusso di corrente.

● In questa condizione, la corrente IDIDID si stabilizza a un valore costante, dipendente solo da VGS:

ID=k2⋅(VGS−Vth)2ID = \frac{k}{2} \cdot (VGS - Vth)^2ID=2k​ (VGS−Vth)2

⋅

● In saturazione, quindi, la corrente IDIDID rimane quasi costante anche se aumenta VDS.

Il transistor pMOS funziona in modo opposto rispetto al transistor nMOS. Ecco una spiegazione semplice:

1. Funzionamento del pMOS

● Conduzione: Un pMOS conduce quando la tensione al gate