Riassunto esame Elettronica Analogica, prof. Pavan, libro consigliato Fundamentals of Microelectronics, Razavi

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I V1 outshiftato diV Vin D,on■ off, off disconnettendoI D C1 1 1dall’input in modo da tenerecostante il valore■ Problema: si riaccende quandoD 1la differenza tra (ilV e V = Vin out C1quale è costante) è maggiore di V D,on○ seconda ipotesi (circuito definitivo): Switch Elettronico■ aggiunta di un secondo diodo e di un’altracorrente di bias■ con on tutti e due i diodi sono accesi inI 1forward bias e riesce a tracciareV outperfettamente se .V V = Vin D1 D2Infatti per on: eI V = V V−1 X in D1V = V + V = Vout X D2 in■ risolve il problema precedente; per la corrente spenta, il circuito siriduce a: /CAP 4: TRANSISTOR BIPOLARIPolarizzazione:● Intanto, “polarizzare” un dispositivo a tre terminali significa fissare, sia iningresso sia in uscita, un punto operativo (o “punto di lavoro” o “punto di riposo”),ossia una coppia costante di valori di tensione e di corrente alla quale il dispositivoviene portato a lavorare.

1. Se il collettore non riesce a dissipare tutta la potenza, ciò che non viene dissipato provoca un aumento della temperatura di funzionamento del collettore; ma il BJT presenta un coefficiente di temperatura positivo, il che significa che la corrente aumenta se la temperatura aumenta; ma, se aumenta la corrente di collettore, aumenta ancora la potenza che non viene dissipata e quindi aumenta ulteriormente la temperatura. Si innesca perciò un meccanismo a catena che, a

Meno di non staccare repentinamente l'alimentazione, provoca presto la bruciatura del dispositivo, il quale viene attraversato da una corrente che non è in grado di tollerare.

[4.2] Struttura del transistor bipolare

Composto da tre regioni dopate collegate una sopra l'altra (n-p-n o p-n-p). Le dimensioni e il livello di dopaggio di tali regioni non permette che essi vengano scambiati tra di loro essendo differenti; emettitore dopato maggiormente con n.

Composto da tre terminali E, B, C: l'emettitore emette i portatori di carica e il collettore le colleziona mentre la base controlla il numero di cariche durante questo tragitto.

[4.3] Transistor in active mode (npn)

Transistor in active mode: V > 0 (forward biased) e V < 0 (reverse biased)

BE BC

Con V = 0 V > VEC B

Transistor npn porta un gran numero di elettroni dall'emettitore, attraverso la base, verso il collettore mentre è presente una piccola

La corrente delle lacune (p) attraversa la base verso l'emettitore.

La corrente delle lacune deve essere più piccola rispetto a quella degli elettroni per garantire un corretto funzionamento del transistor; per tale motivo il livello di dopaggio dell'emettitore (E) è più grande di quello della base.

Dato il piccolo spessore della base, molti degli elettroni raggiungono il confine tra il collettore e la base e iniziano a sperimentare il campo elettrico presente, il quale li farà spazzare via verso il collettore dove verranno assorbiti dal terminale positivo della batteria (V_CE).

Il modo attraverso il quale il flusso di elettroni si sposta attraverso la base è per diffusione, non per drift: infatti il campo elettrico individuato tra la base e l'emettitore è molto piccolo, quindi la corrente drift può essere considerata nulla; inoltre, si nota come al confine tra base e emettitore ci siano un elevato numero di elettroni.

Si comporta quindi come un generatore di corrente pilotato in tensione.

[4.3.1] Corrente di collettore VI = I exp BE dove Is è la corrente di saturazione inversa: il transistor opera come un generatore di corrente controllato in tensione.

Si nota come la corrente di collettore non dipende dalla tensione al collettore (finquando è in active mode): quindi, per una fissata, il transistor si comporta come un generatore di corrente indipendente con una corrente

(ovviamente)costante.[4.3.2] Corrente di base e emettitore

● La base fornisce le lacune (positivi,the holes) sia per essere iniettati verso l'emettitore e sia per essere ricombinati con alcuni elettroni che viaggiano verso il collettore.

● è una frazione della corrente I_B, dove è chiamato guadagno di corrente β: I_C = βI_B.

[4.4] Modelli del transistor bipolare e la caratteristica

[4.4.1] Modello a grande segnale

● Modello grande segnale: enfatizza la possibilità di poter usare una tensione arbitrariamente grande e le correnti possono variare nel transistor.

● Aggiunta del diodo perché, in Active Mode, la giunzione B e E è forward biased.

● La corrente che scorre attraverso il diodo deve essere volte più piccola di quella che scorre sull'emettitore: allora il diodo deve avere una sezione di area di attraversamento volte più piccola di quella dell'emettitore.

[4.4.2] I/V

caratteristicaSoddisfando sempre la condizione di active mode V > VC B● (a) è indipendenteI Cda , quindi iV CEvalori di nonV CEalterano lacaratteristica● (b) è costante finI Cquando il transistorrimane in activemode.[4.4.3] Transconduttanza● La transconduttanza è una figura di merito che indica la bontà del generatore dicorrente pilotato in tensione del transistor bipolare; quantifica le performance deltransistor.● Transconduttanza è definita: VdIc d Icg = = (I exp ) =BEm SdV dV V t V tBE BE● Come la aumenta, il transistore diventa un migliorI Camplificatore producendo escursioni di corrente delcollettore più grandi in risposta ad un segnale applicatotra la base e l’emettitore.● rappresenta la pendenza della curva caratteristica dig m a una data corrente di collettore. Quindi, se sperimenta unaI V V−c BE BEperturbazione introno a , allora la corrente di collettore mostra unaΔV V BE0variazione di intorno a .g

inalterato● (3) V CB○ non provoca nessuna variazione all'interno del circuito■ modello inalterato[4.4.5] Effetto early● Fino ad ora si è giunti allaconclusione che nonΔV CEcontribuisce alla variazione dellacorrente di collettore/ /2I = A qD n N W expV VnC E B B BE Ti/= I expV VS BE T● Aumentando la , aumenta diV CEconseguenza la reverse bias e quindi aumenta la larghezza della depletion regionnel confine tra il collettore e la base .● La larghezza della base diminuisce diW Bconseguenza, in quanto il profilo di carica dellabase deve cadere a 0 al bordo della depletion'region ( )x 2● Infine, con la diminuzione di , AUMENTAW IB C● Chiamato con la tensione di Early, siV Amodifica la relazione di Ic come segue● Si nota come l'effetto early,oltre a provocare unaumento della pendenzadella curva esponenziale, causi una curvaI V-C BEcon pendenza diversa da 0nella caratteristica I V-C CEdove prima era consideratacostante, quindi con

pendenza nulla.

La variazione di V_CE a causa di V_BE rivela come il transistor NON possa essere considerato come un generatore di corrente ideale, dovendo apportare quindi delle modifiche ai modelli al piccolo e grande segnale.

[Modello grande segnale con Early]

Pressoché invariato, cambia solo il valore della I_C del generatore di corrente pilotato dal collettore e l'emettitore

[Modello piccolo segnale con Early]

Con la relazione qui sopra si trova la relazione tra ΔV_CE e ΔI_C:

ΔV_CE = ΔI_C * R_CS

Si aggiunge pertanto una resistenza di valore R_CS tra il collettore e l'emettitore.

[4.5] Transistor bipolare in zona di saturation mode

Transistor in zona di saturazione se: (cioè V_BE < V_CE con V_BC > 0 V = 0)

In questa zona la giunzione base-collettore (B-C) sperimenta un maggior forward bias, portando una significativa corrente.