Il transistor

• dispositivo a semiconduttore con almeno 3 elettrodi che sfrutta le proprietà della giunzione p-n.

• inventato da Bardeen, Brattain and Shockley, ai Bell Laboratories,nel 1948 Premio Nobel nel 1956

• strutture diverse per diverse applicazioni

• estrema miniaturizzazione sviluppo di nuove applicazioni (memorie ad alta densità, computer veloci, computer sempre + piccoli

• può essere schematizzato come un regolatore o generatore di corrente o di tensione

• può svolgere sia la funzione di switch (commutatore o interruttore) che quella di amplificatore

• esistono strutture diverse elaborate per diverse applicazioni• si possono individuare 2 grandi categorie di transistor in base al verso

di scorrimento della corrente rispetto alla giunzione:– transistor bipolari a giunzione (BJT) – corrente perpendicolare alla

giunzione– transistor ad effetto di campo (JFET o MOSFET) – corrente parallela

alla giunzione

emettitore(drogaggio

elevato)base (drogaggio basso)

spessore stretto

collettore (drogaggio intermedio)

p pn

n np

due diverse configurazioni: pnp oppure npnbase = elettrodo di controllo (switch)

piccola variazione della corrente di base rapido cambiamento nell’apparato

Transistor Bipolare a giunzione (BJT)

B

C

E

IC

IEIB

npn

B

C

E

IC

IE

IB

pnp

Il verso della corrente (convenzionalmente la direzione dei portatori di carica positivi) è indicato dalla freccia nel terminale dell’emettitore.

Simboli convenzionali per i BJT

+ -

+ -

+ -

+ -

- +

- +

- +

- +

n np

E CB

due giunzioni p-n che condividono uno strato di semiconduttore intermedio drogatodue diodi contrapposti: emettitore- base base - collettore

distribuzione della carica elettrica

campo elettrico

potenziale elettrico

EB BC

EB BC

EB BC

in assenza di polarizzazione esterna

• se polarizziamo direttamente (forward) la giunzione emettitore-base gli elettroni (le lacune) che sono portatori maggioritari, passano nella base dove diventano portatori minoritari. npn pnp

• qui la polarizzazione inversa (reverse) della giunzione base-collettore trascina gli elettroni (le lacune) che sono minoritari, verso il collettore, dove sono nuovamente portatori maggioritari e rappresentano la componente prevalente della corrente di collettore.

• a causa dello spessore sottile della base pochi elettroni (le lacune) si ricombinano con le lacune (gli elettroni) della base e in gran parte raggiungono l’altra giunzione, cioè il collettore. A questo punto il campo elettrico dovuto alla polarizzazione inversa accelera gli elettroni (le lacune) nella regione di collettore.

• questo significa che la corrente di collettore sarà poco diversa da quella di emettitore e si avrà

IB = IE - IC

• la corrente di base IB rimpiazza le lacune (gli elettroni) della base che si sono ricombinati con gli elettroni (le lacune) dall’emettitore e rappresenta un frazione piccola della corrente di emettitore.

• Possiamo descrivere il comportamento del transistor (consideriamo per esempio un npn) anche da un altro punto di vista

• la corrente che attraversa la giunzione EB è costituita quasi esclusivamente da elettroni che dall’emettitore arrivano nella base. Le lacune che fanno il percorso inverso sono poche perché l’emettitore è molto più drogato della base.

• gli elettroni nella base hanno una bassa probabilità di ricombinarsi con le lacune perché la loro lunghezza di diffusione è maggiore dello spessore della base.

• se indichiamo con (1- ) la probabilità di cattura di un elettrone da parte di una lacuna nella base ( con ≈1) un elettrone ha una probabilità ~1 di raggiungere la giunzione BC e di attraversarla, essendo un portatore minoritario.

• quando un elettrone viene catturato da una lacuna della base, la batteria che alimenta la base provvede a rimpiazzare la carica libera perduta tramite la corrente di base. Poiché la ricombinazione ha una probabilità di (1- ), anche la corrente di base si potrà scrivere come

IB ~ (1- ) IE

corrente di collettore: IC (è la corrente che scorre effettivamente nel transistor)

due contributi:1 - elettroni che, immessi dall’emettitore nella base, riescono a passare nel circuitodi collettore : I’C ~ IE

2 – corrente inversa del diodo BC, Io, dovuta alla polarizzazione inversa

IC = I’C+ Io = IE + Io

IB + IC = IE IC = Io + IE = Io + IB +IC

IC = [/(1-)] IB + [1/(1-)] Io

IC = IB + [1/(1-)] Io IB

/(1-) = del transistor ~ 10 ÷ 102

ATTENZIONE!!!

Io è molto piccolo ma è moltiplicato per un fattore ~ ~ 10 ÷ 102

Io aumenta molto con la temperatura non può essere sempre trascurato.

In conclusione:

quando il transistor è in zona attiva (giunzione BE diretta; giunzione BC inversa)

IC = IB IE=IC+IB = IC + IC/ IC

- può variare molto da un transistor all’altro anche se i transistor sono nominalmente uguali;- varia con il “punto di lavoro”, cioè con le tensioni applicate al transistor - varia con la temperatura

Il parametro viene indicato con il simbolo hFE (se ci si riferisce a grandezze variabili si usano pedici minuscoli hfe) e rappresenta il guadagno in corrente deltransistor.

Caratteristiche di uscita del transistor

descrivono la dipendenza della corrente di collettore dalla differenza di potenziale

tra collettore ed emettitore VCE

famiglia di curve corrispondenti a diversi valori della IB

3 regioni distinte:

a) zona attiva

b) zona di saturazione

c) zona di interdizione

transistor in zona attiva (VBE>V, VC>VB): amplificatore di correntepiccola corrente iniettata in base controlla una corrente molto maggiore che,in un transistor npn, attraversa il transistor nel verso C-B-E

Vo

configurazione ad emettitore comune

~

in zona attiva la giunzione BE è polarizzata direttamenteVBE ~ 0.6 V ~V

nel circuito della figura: VBE=VB-RbIBSupponiamo che VB = 2V e Rb = 28 k

IB =[ (2 - 0.6)/28]mA = 0.05 mASe hFE = = 100

IC = 5 mA e IE = 5.05 mA

Se VCE = 10 V, RC =1 k la tensione sul collettore è

Vo = VCE –IC RC=10 -5 = 5VAggiungiamo in serie a VB una tensione variabile (<VB), per es. sinusoidale di ampiezza 0.5 V.Le variazioni corrispondenti saranno:IB1 = (2.5 -0.6)/(28 103) = 0.068 mA IC1=6.8 mA, Vo1 = (10-6.8) V = 3.2 VIB2 = (1.5 -0.6)/(28 103) = 0.032 mA IC2=3.2 mA, Vo2 = (10-3.2) V = 6.8 V

cioè Vo = 3.6 V Vi = 0.5 –(-0.5) = 1V il guadagno in tensione è |GV| = |Vo/Vi|=3.6

N.B.: amplificatore invertente : aumento del segnale in ingresso diminuzione del segnale in uscita GV < 0

transistor in saturazione

giunzioni BE e BC polarizzate direttamente VC ~ VE ~ V se VCE ~ 0 anche Vo ~ 0

configurazione ad emettitore comune

Vo

transistor interdetto

giunzioni BE e BC polarizzate inversamente : VBE <V

la corrente nel circuito è quasi nulla no caduta potenziale ai capi di RC e quindi Vo = VCE

circuiti digitali

il transistor viene fatto lavorare nello stato di interdizione (Vo ~VC) e di saturazione (Vo ~ 0V) associati allo stato logico 1 e 0 rispettivamente.

un transistor può essere adoperato

• come elemento di un circuito logico facendolo lavorare nello stato di

saturazione (VCE = 0) o di interdizione.

Infine:

perché le curve caratteristiche nella zona attiva

non sono rette orizzontali ma sono inclinate?

zona attiva : BE polarizzata direttamente

è la frazione di elettroni che dall’emettitore

passa nel collettore, dopo avere attraversato la

base (~ 1, poiché la base è poco drogata ed è

stretta) molto grande.

Riducendo ulteriormente la larghezza della base, la probabilità che un elettrone venga

catturato da una lacuna nella base, (1-), diminuirà ulteriormente, aumenterà e così .

Aumentando la polarizzazione inversa della giunzione BC si allarga la zona di svuotamento

del diodo BC e diminuisce la larghezza effettiva della base.

Cioè diminuisce la probabilità che un elettrone venga catturato nella base (1-) diminuisce

aumenta e aumenta

se passa da 0.995 a 0.996 (+ 1‰), varia da 199 a 249 (+ 25 %)

In conclusione: per IB costante il guadagno del transistor aumenta aumentando VCE le rette

non sono orizzontali ma inclinate

Analogia idraulica per il transistor

Junction Field Effect Transistor (JFET)

Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor (MOSFET)

Transistor ad effetto di campo

• Dispositivi a semiconduttore a 3 terminali di facile fabbricazione e meno

ingombranti dei BJT

• densità di componenti > 100000 MOSFET/chip

• possono svolgere la funzione di resistenza o condensatore (collegamento opportuno)

• si possono progettare sistemi elettronici interamente composti da MOSFET

• utilizzo nei VLSI

• si può interpretare il FET come uno switch elettronico che può trovarsi in uno

stato on oppure off

• sotto questo aspetto il FET corrisponde ad un singolo bit, cioè ad una unità

binaria di informazione

• impiego di un campo elettrico per controllare la corrente che scorre nel dispositivo

• cristallo di semiconduttore drogato p o n (canale o body)• la corrente - dovuta solo ai portatori maggioritari - scorre tra due

terminali: sorgente (source) e pozzo (drain)• sul terzo elettrodo (gate) viene applicato un campo elettrico

(potenziale) che modifica la conducibilità del canale e quindi la corrente

barretta di SC a debole drogaggio n - impianto di due zone fortemente drogate p+elettrodi metallici : Gate = elettrodo di controlloSource tra questi due elettrodi scorre la corrente (parallela alla giunzione)Drain modulata da un opportuno potenziale sul gate.

NB : Esiste anche il JFET a canale p con l’impianto di due zone a drogaggio n+

Source Drain

Gate

canale n

p+

p+

Junction Field Effect Transistor (JFET)

Source Drain

Gate

canale p

n+

n+

S

G

D

Che succede se aumentiamo il modulo di VGS (<0) con VDS =0?

La zona di svuotamento nel canale si allarga

e per un certo valore di VGS = VP il

canale si chiude completamente,

cioè non ci sono più cariche libere disponibili.

Si dice che il canale è strozzato e il valoredi VGS per cui ciò avviene è detto tensione di pinchoff VP.P

S

G

D

La tensione di pinchoff è pari alla ddp tra il gate ed il punto P dove il canale si chiude completamente.

E’ possibile ottenere lo stesso effetto di strozzamento del canale anche se VGS =0

VDS VGS=0

S

G

D

Aumentando VDS la ddp tra gate e canale aumenta in modo asimmetrico, con un valore maggiore verso il D zona di svuotamento deformata.

Continuando ad aumentare VDS si raggiunge lo strozzamento.Il punto P si trova ad un potenziale tale per cui VGP = VP = tensione di pinchoff.Poiché VGS =0, VSP = VGP = VP, mentre VDP 0quindi VDS = |VP||VP| si può definire come il valore minimo di VDS che, per VGS =0, causa il pinchoff. Per VDS>|VP|, IDS rimane costante (=IDSS= corrente di saturazione).Se VGS ≠ 0,il pinchoff si verifica per valori di VDS inferiori.

VGS=0 VDS

G

S D

luogo dei punti di pinchoffVGS=0

VP

Aumentando VDS si osserva che la ddp tra il punto P e il source rimane uguale a VP mentre si origina una ddp tra drain e P pari a VDS-|VP|, grazie alla quale gli elettroni che raggiungono il punto P proseguono verso il drain.

La ddp per cui inizia la saturazione è data da V’DS VGS -VP

In questa relazione troviamo i comportamenti che abbiamo descritto finora:

per VGS = VP V’DS = 0 che produce IDS = 0 qualunque sia VDS

per VGS = 0 V’DS = VP

Anche il JFET (come il BJT) può essere usato come amplificatore nella zona di saturazione.

Si controlla una corrente con un segnale di tensione (nel BJT si controlla una corrente con un’altra corrente più piccola).

zone di funzionamento del JFET

1. zona ohmica: VDS è piccola e il canale è ancora aperto.

IDS = Kp [2(VGS-VP)VDS –V2DS] Kp [2(VGS-VP)VDS]

con 0 < VDS≤(VGS-VP) Kp = IDSS/V2

P

2. zona di saturazione: VDS>(VGS –VP), IDS costante. IDS=Kp(VGS-VP)2 dove VP ≤VGS ≤0 Il luogo dei punti di pinchoff (separazione tra zona ohmica e di saturazione) si ottiene ponendo VGS = VDS +VP IDS = KpV2

DS = eq.parabola

3. zona di interdizione: VGS < VP (con VP<0). In questa zona IDS =0.

4. zona di breakdown: VDS è così elevata da causare un brusco aumento della corrente ed eventualmente la rottura del transistor.

per VDS<<|VP|

costante legge di Ohm

VGS=0|VP|

• Il MOSFET è un dispositivo a effetto di campo che utilizza un elettrodo metallico separato da un canale di semiconduttore tramite uno strato di ossido (isolante) (struttura metallo-ossido-semiconduttore)

• Applicando una ddp tra gate e substrato del semiconduttore (body), attraverso lo strato di ossido, si controllano le caratteristiche del canale.

• Esistono 2 tipi di MOSFET – ad arricchimento– a svuotamento

Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor (MOSFET)

MOSFET a canale n ad arricchimento (n channel enhancement – NMOS)

2 regioni n+ in un substrato di tipo p superficie superiore ricoperta di Ossido di Silicio, a parte 2 contatti metallici(Al) per le zone n+ (Source e Drain). Il Gate si trova sullo strato di Ossido,sulla zona inferiore c’e’un quarto elettrodo di Substrato.Normalmente S e Substrato sono tenuti insieme. Il G è ad un potenziale positivo rispetto a S, come pure il D.

In assenza di potenziali esterni alcunielettroni migrano dalle zone n+ verso p. Applichiamo VG > VS(=Vsub) gli elettronivengono attirati nella zona tra D e Screando un canale di conduzione.Applicando una VDS si avrà una correnteIDS da D a S.Tutto ciò avviene se VGS ≥ Vt (tensione di soglia).Il comportamento del MOSFET per VDS piccola è analogo a quello del JFET in zona ohmica.

Aumentare il valore di VDS equivale adiminuire la ddp tra D e G in prossimità del D il canale si deforma e si restringe vicino al D.Quando VDS è tale per cui VDG<Vt (VDG = VGS –VDS ≤ Vt) si ha una situazione dipinchoff analoga a quella vista nel JFET.IDS diventa indipendente da VDS

zona di saturazione del MOSFETAumentando ulteriormente VDS si raggiungela zona di breakdown (10÷ 100 V).

S D(+)

substrato p

n n

G (+)B

- - - - - - -- - - - -- - -

0 1 2 3 4 5 VDS,V

400

300

200

100

0

I DS, A

VGS= 6 V

VGS= 5.5 V

VGS= 5 VVGS= 4.5 VVGS= 4 V

1. zona ohmica (VDS ≤VGS-Vt): IDS = Kp [2(VGS-Vt)VDS –V2

DS] 2. zona di saturazione (VDS ≥ VGS-Vt): IDS = Kp (VGS-Vt)2

per VGS=0, IDS= Kp Vt2 = IDSS=

corrente di saturazione (≈ nA)

Esiste il MOSFET a canale p ad arricchimentonel quale tutti i segni e le polarizzazioni sono invertiti, ma ha un funzionamento del tutto analogo.

SG

(metallo) D

substrato n

p p

MOSFET a canale n a svuotamento

E’ identico al transistor NMOS appena visto, ma esiste già un canale n di conduzionetra le regioni n+. Quindi anche in assenza di tensione sul G ci sarà conduzione.

• Se il G ha un potenziale negativo rispetto al S ( e al substrato, che sono collegati) gli elettroni nella zona n vengono respinti si formerà una zona di svuotamento e quindi si avrà un restringimento del canale modo di svuotamento• Se G ha un potenziale positivo, altri elettroni saranno attratti verso lo strato di ossido e si avrà un allargamento del canale ed un aumento della conduttanza modo di arricchimento

Supponiamo di operare in modo di svuotamento (VG < 0)Aumentando VDS si incontrerà una prima zona ohmica, seguita anche in questo caso da una zona di saturazione dovuta allo stesso effetto di strozzamento già visto in precedenza.Vp è il valore minimo di VDSche causa la saturazione quando VGS=0 ( ed è il valore di VGS che causa il pinchoff quando VDS=0).La curva caratteristica di questo MOSFET è:

Saturazione: VDS tale per cuiVGD = VGS –VDS = VP cioè VDS = VGS-VP

1. zona ohmica (0 <VDS ≤VGS-Vp): IDS = Kp [2(VGS-Vp)VDS –V2

DS]

2. zona di saturazione (VDS ≥ VGS-Vp): IDS = Kp (VGS-Vp)2

NMOS PMOS

dispositivi CMOS

caricoPMOS

pilotaNMOS

vo

vi +

-

+VDD

PMOS e NMOS entrambi ad arricchimento connessi in serie terminali D (Drain) collegati in serie tensione di uscita dal nodo dei D Gate comune. Al G viene applicato il segnale di ingresso. la tensione di ingresso può variare da V(0) = 0 a V(1) = VDD

Q1

Q2

per vi =0 si ha VGS1 = 0 Q1 è interdetto VGS2 = -VDD Q2 è acceso, ma la corrente è nulla VDS2 =0 e vo= VDD

vi = V(0) vo = V(1)

Se vi <VT NMOS in interdizione PMOS in conduzione

vo

PMOS NMOS

tensione di ingresso è bassa

tensione di uscita è alta ed è pari a VDD

utilizzato in applicazioni digitalipilota NMOS al quale è connesso un PMOS come carico.Supponiamo che la tensione di soglia sia la stessa ed uguale a VDD/2.Ricordate che NMOS conduce se VGs >0 e PMOS conduce se VGs< 0

+ -vo

PMOS NMOStensione di ingresso alta

tensione di uscita è bassa

Se vi >VT NMOS in conduzione PMOS in interdizione

poiché D e S dei due transistor sono in serie nel canale del NMOS non passa mai corrente

caricoPMOS

pilotaNMOS

vo

vi +

-

+VDD

Q1

Q2

per vi = VDD = VGS1 Q1 è acceso VGS2 = 0 Q2 è spento la corrente è nulla e quindi vo= 0 vi = V(1) vo = V(0)

Un circuito di questo tipo rappresenta un invertitore, cioè una porta logica NOT