Riassunti teoria enertronica prof Emanuele Bertoluzzo

D

A ! = < ! =< ! 1>

= BC 7 8 $: $: 7 8

7 DEA

DEA BC

BC < ∝ ; ;

$: 6 6

si dovrà annullare la , ed essendo , anche deve essere piccolo e trascurabile.

Funzionamento in saturazione

Si ha quando ambedue le giunzioni sono polarizzate direttamente, cioè quando la tensione di collettore risulta molto

prossima a quella dell’emettitore. In queste condizioni si ha un’elevata iniezione di cariche in base, sia da parte

dell’emettitore, sia da parte del collettore. La base perde le proprie capacità di controllo del flusso di corrente che la

attraversa ed il componente assume approssimativamente la caratteristica di un interruttore chiuso.

G

,; & H

7 6 I , questo è realizzato

Per mandare il transistor in saturazione basta avere , ovvero bisogna imporre JK

calcolando il valore esatto della resistenza applicata prima della base.

Prestazioni elettriche e caratteristiche costruttive

Alta potenza

I transistori per alte potenze devono avere grandi superfici di emettitore per fornire la richiesta quantità di corrente.

Anche la superficie del collettore deve essere grande per dissipare la potenza senza riscaldare troppo la giunzione BC.

Questo comporta che le giunzioni abbiano capacità elevate.

Alta frequenza

Per avere una risposta in frequenza più ampia possibile la regione di base deve essere molto stretta in modo da

assicurare un breve tempo di transito delle cariche dall’emettitore al collettore. Conviene inoltre che la capacità di

ingresso sia piccola (piccola area della giunzione EB) e che la resistenza di base sia grande (base poco drogata).

Scarica e perforazione

Quando si usa la giunzione BC con polarizzazione inversa, la tensione di collettore deve essere inferiore alla tensione di

scarica inversa. Per ottenere alti valori della tensione di scarica o il collettore o la base devono essere poco drogate. La

zona di svuotamento penetra più profondamente nella regione meno drogata e quindi conviene drogare di più la base in

quanto è una regione molto stretta. Tuttavia, anche se la base è più drogata del collettore, vi è sempre una certa

espansione della zona di svuotamento BC dentro la base che, se si estende abbastanza, può andare a toccare la zona di

svuotamento EB. Quando questo accade avviene la cosi detta perforazione e si ha un passaggio di corrente non

controllato dall’emettitore al collettore. Per evitare la perforazione la regione di collettore viene drogata meno della

base nei pressi della giunzione BC.

Caratteristiche ad emettitore comune 76

Per determinare le caratteristiche di ingresso, la tensione è tenuta costante

6

e i valori di sono misurati per diversi valori di . Si può vedere che al

76 7

crescere di cresce e quindi aumenta la zona di svuotamento nella

giunzione CB: di conseguenza cala la larghezza della regione di base e una

maggior parte dei portatori di carica emessi dall’emettitore arrivano al collettore

riducendo la corrente di base. 76

Per determinare le caratteristiche di uscita, la corrente è mantenuta costante e la tensione viene variata.

76

Per un ampio campo di valori di non troppo piccoli o troppo grandi la

7

corrente resta costante e il suo valore è proporzionale alla corrente .

Si può allora individuare la zona lineare.

76

Per valori di piccoli la corrente di collettore si riduce fino ad arrivare

76

ad annullarsi quando è zero. Questo è dovuto al fatto che la tensione

sulla giunzione CB diventa zero o negativa e quindi non è più favorevole

o addirittura respinge gli elettroni che arrivano alla giunzione CB

provenienti dall’emettitore. Questa zona è caratterizzata da aumenti

molto grandi di corrente per piccole variazioni di tensione. Si può allora

individuare la zona di saturazione.

76 7

Per valori grandi di , eccedenti un dato valore, la corrente cresce

molto rapidamente a seguito della scarica che un suo elevato valore di

tensione produce sulla giunzione CB.

Se facciamo diminuire la corrente di base a zero, anche la corrente di collettore si

riduce a valori praticamente nulli. Si può allora individuare la zona di interdizione.

L’insieme delle zone di saturazione e lineare formano la zona attiva.

Funzionamento come interruttore % = ( ) ! % 6

Equazione alla maglia di ingresso :

-

% &0 =& ) ≅ &0

.

• L

% M0 =& ) ≅0

• = ( ) ! %

77 7 7 76

Equazione alla maglia di uscita :

) N) & O =& % ≅ 0; ) ≅

H HH

76 7

I

• per grande Punto di lavoro 2

JK H

) = 0 =& % ≅ ; ) = ≅ 0

76 77 7 7 8

• per Punto di lavoro 1

L’intersezione tra la caratteristica del transistore per la

assegnata e la retta di carico determina l’unico punto di lavoro P

che appartiene ad entrambe, e pertanto definisce la tensione

76 7

e la corrente a cui il circuito si porta a funzionare per

.

quella corrente di base

Dati caratteristici dei transistori

I più importanti dati caratteristici di un transistore sono:

76Q

- Tensione di scarica collettore-emettitore (P ): tensione di scarica tra collettore ed emettitore con la base

aperta. 6 Q

- Tensione di scarica emettitore-base (P ): tensione di scarica della giunzione EB.

76ERST

- Tensione di saturazione collettore-emettitore ( ): tensione tra collettore ed emettitore quando il

dispositivo è in saturazione. 76Q

- Corrente inversa di collettore ( ): corrente di collettore con la giunzione BC polarizzata inversamente e la base

aperta. 6 Q

- Corrente inversa di emettitore ( ): corrente di emettitore con la giunzione EB polarizzata inversamente e il

collettore aperto. 6

- Guadagno di corrente in diretta (; ): rapporto tra la corrente di collettore e quella di base con emettitore

comune. QU

- Capacità di uscita ad emettitore comune (4 ): capacità misurata tra collettore ed emettitore.

MOSFET

Il MOSFET è realizzato sulla superficie di un semiconduttore debolmente

drogato P, chiamato substrato, ai cui lati si hanno due zone drogate in modo

opposto e più intensamente: si chiama l’estremità del canale da cui

source

provengono i portatori di carica, e l’estremità verso cui si dirigono. Il

drain

substrato è ricoperto da un sottile strato di dielettrico isolante

V)W

(normalmente ossido di silicio ) ricoperto da un contatto metallico

chiamato gate.

Principio di funzionamento

Il funzionamento si fonda sulla possibilità di variare, agendo sul

potenziale del gate, la concentrazione degli elettroni liberi presenti tra i

due contatti N sotto l’ossido.

Se si aumenta il potenziale del gate, si crea un campo elettrico verticale tra

gate e substrato che allontana le lacune verso il substrato e richiama gli

elettroni minoritari verso la superficie. In questo modo si ottiene un canale

conduttivo di tipo N tra source e drain e i due terminali cessano di essere

isolati elettricamente. Il canale conduttivo raggiunge la completa

formazione quando la concentrazione di elettroni giunge ad eguagliare la

concentrazione delle lacune maggioritarie nel substrato neutro. Il valore =

X X

della tensione per cui si raggiunge questa condizione è detto tensione di soglia e la relazione è nota

,

X

come condizione di inversione, mentre per i contatti di source e drain sono considerati elettricamente isolati.

Lo strato di cariche mobili nel canale e l’elettrodo di gate formano le armature di un condensatore, il cui dielettrico è

= >

X

l’ossido. All’aumentare della tensione di gate oltre il valore di soglia la tensione in eccesso va a cadere quasi

interamente ai capi dell’ossido.

&

X 5

Se e si applica una tensione tra il drain e il source allora scorrerà una corrente di elettroni:

5

• Per piccole tensioni la crescita della corrente è lineare poiché la conducibilità del canale è praticamente

costante, questa regione di funzionamento è detta zona ohmica del MOSFET.

5

• Per elevate tensioni l’ulteriore aumento della corrente segue una

legge meno che lineare. La caduta di potenziale lungo il canale (il canale

è resistivo) determinata dal passaggio della corrente fa diminuire la

tensione ai capi dell’ossido man mano che ci si sposta verso il drain. La

tensione che cade ai capi dell’ossido in eccesso rispetto a è ridotta al

Y =Z>[ =Z>

X

valore dove è la caduta nel canale. Quando la

= >

5 X

tensione raggiunge il valore , il canale in corrispondenza

=Z> = X

del drain risulta completamente strozzato (ovvero quando

), in tale situazione si dice che il canale è in pinch-off.

&

5

• Per il transistore opera in saturazione. La sezione del canale e la velocità delle cariche rimangono

pressoché costanti, si estende solo la zona interessata dallo strozzamento in direzione del source. Pertanto la

$

corrente (la cui intensità dipende dalla sezione del canale e dalla velocità delle cariche) rimane costante

=

5 5 ERST X

all’aumentare della . Il valore di tensione sul drain prende il nome di tensione si

saturazione.

AMPLIFICATORI OPERAZIONALI

L'amplificatore operazionale amplifica la differenza di tensione ai due morsetti d'ingresso:

% %

^ E

=% >

% = ] % ! ]

^ E 2

\ $ :

] ] ] → 0.

$ : :

dove è il guadagno differenziale, mentre è il guadagno di modo comune di solito trascurabile poiché

I morsetti di ingresso sono 2: l'invertente ed il non invertente. Se la differenza di

tensione fra i due morsetti è positiva l'amplificatore restituirà un valore positivo in

uscita pari a quello di alimentazione, mentre se la differenza di tensione in ingresso

è negativa restituirà un valore negativo in uscita sempre pari a quello di

% =

\ 55 55

alimentazione. La tensione di uscita è sempre compresa tra e .

Le ipotesi di idealità sono:

] → ∞;

$

1) ] % %

^ E

$

2) costante, ovvero indipendente dalla frequenza e dall’ampiezza di e

3) I morsetti di ingresso non assorbono corrente, ovvero impedenza di ingresso infinita;

4) La tensione di uscita non dipende dalla corrente erogata, ovvero impedenza di uscita nulla;

] /] → 0 ] ]

: $ : $

5) guadagno di modo comune molto minore del guadagno differenziale , e di solito trascurato.

Perciò:

=1 ! 5> =& % = % % = 0

^ E \

se allora

=2> =& la velocità di variazione dell’uscita è infinita

Comparatore =% >

% = %

^ E

La differenza di tensione tra i due ingressi vi