VEB
VBC
p
n
Emettitore
p
Base
Collettore
r
-xE
xC
W
Dispositivi a semiconduttore
x
1
Transistor
Dispositivi a semiconduttore
2
Effetto transistor:
Amplificazione della
corrente nella giunzione
contropolarizzata
Contributi corrente:
•IEp: lacune iniettate emettitore
•ICp: lacune al collettore
•IEn: elettroni dalla base verso emettitore ( va ridotta: alto
doping emettitore)
•IBB: elettroni che la base deve rifornire a causa
ricombinazione: IBB=IEp-Icp
•ICn: corrente di elettroni generati termicamente che dal
collettore si muovono verso la base
Dispositivi a semiconduttore
3
Configurazioni
Dispositivi a semiconduttore
4
I E  I Ep  I En
I C  I Cp  I Cn
I B  I E  I C  (I Ep  I Cp )  (I En  I Cn )
nella configurazione a base comune:
0 
I Cp
IE
 hFB 
I Ep

I Cp
I Ep  I En I Ep

 =efficienza

 T = fattore trasporto base
emettitore
0  T 1 in un buon transistor
Dispositivi a semiconduttore
5
Se si esprime IC in funzione del guadagno a base comune:
IEp 
IC  ICp  ICn   T IEp  ICn   T   ICn
  
IC   0 IE  ICn
ICn  corrente collettore - base con emettitore aperto (I
E
 0)
ICn  ICBO
CBO : Common base, emitter open
IC   0 IE  ICBO

Dispositivi a semiconduttore
6
Caratteristiche statiche:
Hp:
-drogaggio uniforme in ciascuna regione
-Basso livello di iniezione
-Non c’è generazione-ricombinazione nella regione di svuotamento
-Non ci sono resistenze in serie nel dispositivo
Regime attivo
Distribuzione portatori minoritari in base:
Condizioni al contorno
p n (W )  0
d pn pn  pn 0

0
2
dx
p
2
Dp
pn (x)  pn 0  C1e
x
Lp
 C2e
pn (0)  pn0 e
x

Lp
qVEB
kB T
ni2
pn0 
NB
N B  Concentrazione donori base
Dispositivi a semiconduttore
7
Dispositivi a semiconduttore
8


 W  x 
 x 
sinh 
 qVBE

 sinh   

 KT

 Lh  
 Lh  


pn (x)  pn0  e
 1
 pn0 1 


W  
W 

sinh   

 sinh   
 Lh  
 Lh  


Se W/Lp>>1 : distribuzione esponenziale di singola giunzione

Se W/Lp<<1 : distribuzione lineare . In condizioni “ normali” (REGIME
ATTIVO)
 qVBE 
x
x
KT
pn (x)  pn 0e
1(1 )  pn (0)(1 )
W

 W
Dispositivi a semiconduttore
9
WE
E p+
xC
-xE
WC
Bn
nE (x)  nE 0  nE 0 (e
nC (x)  nC 0  nE 0 e

qVBE
kB T
x  xC
LC
Cp
 1)e
x  xE
LE
WE WC>>LE,LC
per xŠ-x E
per xŠx C
In base si ha un eccesso di portatori minoritari per una carica totale:
W
Q  qA  pn (x)  pn0 dx
0
qAWpn0
Se pn (x)  pn0  Q 
2
Dispositivi a semiconduttore
10
Calcolo correnti:
I Ep  qAD p
dp n
dx
x0
qV
Per W/L p  1 I Ep
EB
ni2
ni2
kB T
 qAD p
(e
 1)  qAD p
N BW
N BW
dp
I Cp (x  W )  qAD p n
dx
I En
dn
 qADE E
dx
I Cn  qADC
dn C
dx
qV
x0
CB
ni2
ni2
kB T
 qAD p
(e
 1)  qAD p
N BW
N BW
qV
x   xE
nE 0 kBEBT
 qADE
(e
 1)
LE
 qADC
x  xC
nC 0
LC
Dispositivi a semiconduttore
11
Se esplicitiamo le correnti:
I E  I Ep  I En
I C  I Cp  I Cn
I B  I E  IC
qAD p pn0 2D p
IC 
 2 QB : La corrente di collettore
W
W
è proporzionale alla carica
di minoritari immagazzinati nella base
Dispositivi a semiconduttore
12
BJT distribuzione portatori minoritari: controllano
tutto i minoritari nella base
Dispositivi a semiconduttore
13
Distribuzione drogaggio
Dispositivi a semiconduttore
14
In sintesi
-VEB , VCB decidono densità alle giunzioni di Emettitore e
Collettore
-IE e IC dipendono dai gradienti di concentrazione dei minoritari
alle giunzioni
-La corrente di base è la differenza fra IE e IC
Efficienza di emettitore:
=
IEp
IEp  I En
Dp

Dp
pn0
pn0
W
W  DE
nE 0

LE
1
D N W
1 E B
D p N E LE
ni2
ni2
da :
 NB e
 NE
pn0
nE 0
Dispositivi a semiconduttore
15
Per avere ≈1 NB<<NE: alto drogaggio emettitore
Fattore trasporto:
T 
I Cp
I Ep
W
W2
 sec h
 1  2 : Base piccola rispetto alla
Lp
2L p
lunghezza diffusione per  T  1
Dispositivi a semiconduttore
16
Operation mode:
•Modo attivo: E-B: forward
B-C reverse
•Saturazione : E-B: forward
B-C forward
pn(W)=pnoexp(qVCB/kBT)
4 regioni
funzionamento|: 4
distribuzioni
portatori
In saturazione per una piccola polarizzazione ho
grandi correnti ( stato ON di uno switch)
•Cutoff: E-B: reverse
B-C reverse
pn(W)=pn(0)=0- Stato OFF di uno switch
•Invertito:E-B: reverse
B-C forward
Modo attivo con efficienza ridotta a causa del basso
doping del collettore
Dispositivi a semiconduttore
17
Distribuzione portatori minoritari
Dispositivi a semiconduttore
18
Base Comune
saturazione
attiva
Cut Off
Dispositivi a semiconduttore
20
Configurazione a Emettitore comune:
I B  I E  IC
I C   0 I E  I CBO
I C   0 (I B  I C )  I CBO  I C 
0
I
I B  CBO
1  0
1  0
Guadagno ad emettitore comune:
0 
I C

 h FE  0  100
I B
1  0
I CEO : Corrente di perdita emettitore-collettore per base aperta (IB =0)
I C  0 I B  I CEO
L2p
0
 T
T
0 


2 2
1   0 1   T 1   T
W
Dispositivi a semiconduttore
21
Emettitore Comune
Nella regione attiva IC sostanzialmente indipendente da VCE
saturazione
attiva
Cut Off
Dispositivi a semiconduttore
22
Valori tensione
Si
VCE(sat)
VBE(sat) VBE(att) VBE(soglia) VBE(interdizione)
0.2V
0.8V
0.7V 0.5V
0
0.3
0.2
-0.1
Ge 0.1
0.1
Dispositivi a semiconduttore
23
VBC crescente: IC cresce a causa breakdown a valanga giunzione B-C
In un transistor reale: ricombinazione e generazione nelle regioni di
svuotamento alle due giunzioni. ICBO e ICEO crescono
Perdita di 0 a basse correnti a causa di ricombinazione nella regione di
svuotamento E-B
Il plateau nella caratteristica si ottiene se domina corrente diffusione
Dispositivi a semiconduttore
24
Modello di Ebers-Moll
-2 diodi back to back
-corrente IE fluisce
quasi tutta nel
collettore
Caratteristiche
statiche
IF: frazione corrente Emettitore che fluisce in base
FIF: frazione che raggiunge il collettore
IR: reverse current collettore
RIR: reverse common base guadagno in corrente
Dispositivi a semiconduttore
25
Dispositivi a semiconduttore
26
Amplificatore di tensione e/o corrente
Dispositivi a semiconduttore
27
Emettitore Comune
VBE  0.07V
iB  0.1mA
VCE  5V
iC  5mA
VCE  VS  RLiC
Dispositivi a semiconduttore
28
Base Comune
VEB  0.1V
VCB  11V
iE  10mA
iC  10mA
VCB  VS  RLiC
Dispositivi a semiconduttore
29
Emitter-follower
iE  iB  iC  (1   )iB
AV  1
Dispositivi a semiconduttore
32
Risposta in frequenza:
Limite principale tempo di transito minoritari in base
Se v(x) è la velocità di un portatore in base:
Ip  qv(x)p(x)A
W
dx
B  

v(x)
0
W
qp(x)Adx
0 I P
Se :
p(x)  Cx
W2
B 
2D p
Dispositivi a semiconduttore
33
Switch
Per applicazioni digitali conta tempo di uscita dalla
saturazione
V 0
V  0.7V
OFF
ON
Dispositivi a semiconduttore
34
Il transistor ad effetto di campo:
JFET (1953)
MOSFET (1960)
I MOSFEt furono “ pensati” nel 1925
Transistor unipolare in cui il flusso della corrente dal
terminale di source al drain è controllato dalla tensione
applicata all’elettrodo di gate. Controllo della conducibilità di
un canale.
A differenza di un transistor bipolare dove il parametro di
controllo è la corrente di base, qui è la tensione del gate.
Dispositivi a semiconduttore
35
JFET
Si preferisce n
per maggiore
mobilità portatori
Dispositivi a semiconduttore
36
JFET
Canale conduttivo con 2 contatti ohmici: S e D
Il Gate G forma una giunzione con il canale
VG  0 VD  0
Source a massa: la corrente elettroni verso il drain
Dispositivi a semiconduttore
37
JFET a canale n
Dispositivi a semiconduttore
38
saturazione
lineare
Dispositivi a semiconduttore
39
JFET
W(x)
W(x)
Dispositivi a semiconduttore
40
Dispositivi a semiconduttore
41