Il BJT
Sommario
• Cos’è il BJT?
– Concetti di base sulla fisica dei
Semiconduttori
• Come funziona il BJT?
– Regioni di funzionamento
– Modello di Ebers-Moll
– Piccoli Segnali
Struttura del NPN
 3 Terminali: Base(P), Emettitore(N+) e Collettore(N)
 2 Giunzioni PN: 1 B-E, 1 B-C
 Diverse Polarizzazioni => diverse modalità operative
Struttura del PNP
 3 Terminali: Base(N), Emettitore(P+) e Collettore(P)
 2 Giunzioni PN: 1 B-E, 1 B-C
 Diverse Polarizzazioni => diverse modalità operative
NPN – Regione Normale
VBE  0
VBC  0
 Giunzione B-E Accesa
 Giunzione B-C Spenta
 Correnti diffusive grandi (trasc. Drift)
NPN – Regione Normale
 Corrente Collettore: eccesso
dei minoritari (n) iniettati da E a B
(verso corrente “girato”: cariche -)
 VVBE

T
 e
 1




 VVBE

T
Ic  I s   e
 1




 Corrente Base:
 eccesso dei minoritari (p) iniettati da B a E
 ricombinazione di n iniettati E con p in Base
 VVBE

T
 e
 1




VBE


Is
VT
Ib 
e
 1

 F 

con  F
1
NPN – Regione Normale
 Corrente Emettitore: per Kirckoff è la somma delle altre due
 F  1 I s

Ie  Ic  Ib 
F
 VVBE

  e T  1




NPN – Regione Normale
C
Ib
Ic
 VVBE

T
Is  e
 1




B
Ie   F
 1
F
E
Generatore di corrente
controllato in tensione
“non-lineare!!!”
 VVBE

T
Is  e
 1




Corrente di saturazione
“equivalente”
NPN – Regione Normale
C
Ib
Ic
F I B
B
Ie   F
 1
F
E
Generatore di corrente
controllato in corrente
“non-lineare!!!”
 VVBE

T
Is  e
 1




Corrente di saturazione
“equivalente”
NPN – Regione Normale Inversa
C
Ib
Corrente di saturazione
inversa “equivalente”
Ic
  R  1 I
R
B
Ie
E
 VVBC

T
 1
s e




 R 

 Ic
 R  1 
Generatore di corrente
controllato in corrente
NPN – Ebers-Moll
…mettendo insieme RN diretta
e RN inversa
C
I DC
  R  1 I

R
Ic
 VVBC

T
 1
s e




 F 

 I DE
 F 1 
B
Ib
I DE
 F

 1
F
 R 

 I DC
 R 1 
 VVBE

I s  e T  1




E
Ie
NPN – Ebers-Moll
C
Un solo generatore
IC 
F
F 1
I E  I DE 
Ic
I DE  I DC
R
R 1
I B  I E  IC 
I DC
I
I DE
 DC
F 1 R 1
B
Ib
E Ie
IC 
F
F 1
I E  I DE 
I DE  I DC
R
R 1
I DC
I DC
I DC
F
R



I DE 
I DC 
R 1 R 1 F 1
R 1
R 1
I DC 
I DE
I
F
R
I
 DE 
I DE 
I DC  DE
F 1 F 1 F 1
R 1
F 1
NPN – Ebers-Moll
Un solo generatore
C
Ic
V

I DC
I s  VBCT

 e  1

 R  1  R 

IT 
B
F
F 1
I DE 
VBC
 VVBE
 I S  e T  e VT


Ib
V

I s  VBET
I DE

 e  1

 F  1  F 

E Ie




R
R 1
I DC
NPN – Regioni di Funzionamento
Regione Normale Diretta se BCJ Off e BEJ
On
I t  0  I DE  I DC
 Vbe  Vbc  Vbe  Vbc  0
 Vcb  Vbe  0  Vce  0
NPN – Regioni di Funzionamento
Regione Normale Inversa se BCJ On e
BEJ Off
I t  0  I DE  I DC
 Vbe  Vbc  Vbe  Vbc  0
 Vcb  Vbe  0  Vce  0
NPN – Regioni di Funzionamento
Regione Saturazione se BCJ On e BEJ On
I be
e
Vbc Vbe
VT
I bc 
e
Vce
VT
IS
F
e
Vbe
VT
K
IS
R
e
Vbc
VT
K
1
 F 
F
K
 Vce  VT  ln  K
  Vcesat
R
 R 
F
K 10  100 e
R
F
100  1000  K
R
Vcesat  VT  ln 1035    3  5  VT  ln10 
  3  5   60mV  180 ÷ 300mV
1035
NPN – Regioni di Funzionamento
Regione Normale Diretta se BCJ Off e BEJ
On
I bc

I be ; I c  I t  I S X e  I S  e


Vbe
 Ic
I S  VT
I b  I be 
 e  1 
 F
 F 

Vbe
VT

 1


NPN – Regioni di Funzionamento
Regione Normale Diretta se BCJ Off e BEJ
On
Ib
Ic
F
Ic
C
B
Vbe
Vbe VT
Is e
E
F 1
Ie 
Ic
F
NPN – Caratteristiche Ic(Vbe)
5mA
Ic
4mA
3mA
Vce>Vcesat: RN
2mA
1mA
0.5
0.6
0.7
Vbe
0.8V
NPN – Caratteristiche Ic(Vce)
Ic
4.0mA
Ib=40mA
2.0mA
Ib=20mA
Ib=0mA
1.0V
Vcesat
2.0V
Vce>Vcesat: Regione Normale
3.0V
Vce
+Vcc
Esercizio (.cir)
Vcc=6V; Rc=4kOHM;
Rb=10kOHM;
Re=0.4kOHM; IS=1fA; F=100;
VT=25mV.
Rc
Rb
Sia VinOP=1V: calcolare VceOP
e determinare il valore di Vin
che rende saturo il transistor
supponendo Vcesat=0.2V.
Vin
Re
Verificare
Pspice.
i
risultati
con
Soluzione
R b    F  1 R e
Ic
F 1
Vin  R b Ib  Vbe  R e I e  R b  R e
I c  Vbe 
I c  Vbe 
F
F
F
 504  I c  Vbe ; I c OP 
1  V
504
 0.6mA; Vbe OP  VT  ln 1015  I c OP   0.678V
F 1
iterando: I c OP  636μA; Vce OP  Vcc  R c I c OP  R e
I c OP  3.20V
F
Vcc  Vcesat
5.8
I csat 

 1.32mA; Vbesat  VT ln 1015 1.32 103   0.698V
β F +1
Rc 
R e 4.04k
βF
I csat
β F +1
Vinsat  R b
 Vbesat 
R e I csat  10k 13.2μ+0.698  404 1.32m=1.36V
βF
βF
Ic
Effetto Early
4.0mA
2.0mA
Vce
1.0V
2.0V
3.0V
In regione normale Ic non è indipendente da Vce
ma un poco crescente: effetto Early.
Effetto Early
Modello matematico
IC  Ise
VBE
VT

VCE
1 
VA




Intersezione asse ordinate
IC V
CE  0
 Ise
VBE
VT
Intersezione asse ascisse
IC
VCE VA
0
Piccoli Segnali - EE
Polarizzazione
IC  I S e
VBE
VT
 VCE 
1 

V

A 
Piccoli Segnali
I C, gs  I C e
vBE
VT
Piccoli Segnali - EE
Gen. Corrente controllato in tensione
vce
ic  vbe , vce   g m vbe 
rce
I c
gm 
Vbe
OP
I c
1

rce Vce

Vce OP  eVbe OP VT
I c OP
 IS  1 


VA  VT
VT

OP
IS eVbe OP

VA
VT
VAF  Vce OP
rce 
I c OP
I c OP

VA  Vce OP
VAF
I c OP
Piccoli Segnali - EE
Resistenza Base-Emettitore
VBE


IS
VT
IB 
 e  1

 F 

vbe
ib  vbe , vce  
rbe
I b
1

rbe Vbe
OP
IS eVbe OP VT
I c OP VA


 F VT
 F VT  VA  Vce OP 
rbe 
 F VT VA  Vce OP
I c OP

VA
Piccoli Segnali - EE
Gen. Corrente controllato in tensione
vbe
ib  vbe , vce  
rbe
vce
ic  vbe , vce   g m vbe 
rce
g m vbe
rbe
I c OP
gm 
VT
VAF  Vce OP
 F VT VA  Vce OP
rce 
; rbe 

I c OP
I c OP
VA
rce
Piccoli Segnali - EE
Gen. Corrente controllato in corrente
vce
ic  ib , vce   β0 ib 
rce
β0 ib  g m vbe  β0  g m
I c
β0 
Ib
 Vce OP 
 β F 1 
;
 VAF 
OP
β0  β F
vbe
ib
 g m  rbe
se si trascura l ' effetto Early 
Piccoli Segnali - EE
Gen. Corrente controllato in corrente
vbe  ib , vce   rbeib
vce
ic  ib , vce   β0 ib 
rce
 Vce OP 
β 0  β F 1 

 VAF 
VAF  Vce OP
 F VT VA  Vce OP
rce 
; rbe 

I c OP
I c OP
VA
 0ib
rbe
rce
Osservazione
Trascurando sia l'effetto Early che la corrente di
base, il modello del BJT si riduce a un transistore
ideale:
I b  0; I c  I e  I  I S e
Vbe
VT
I c OP
rce  ; rbe  ;  0  ; g m 
VT