SOFTMAX - IL TRANSISTOR BIPOLARE


          

Index - IL TRANSISTOR BIPOLARE  

Costruzione del transistor

Sistema per contrassegnare transistor e diodi

L'azione di pilotaggio del transistor

Curve caratteristiche e valori limiti

Il transistor: la commutazione


Costruzione del transistor

Col nome di transistor si indica oggi una grande quantità di componenti, che si differenziano in modo fondamentale per costruzione e funzionamento .I tre tipi più importanti attualmente in uso sono:

a) BJT (bigiunzione o bipolare)

b) FET (transistor ad effetto dì campo)

c) UJT (transistor unigiunzione)

Verranno qui trattati esclusivamente i transistori npn e pnp che sono tra quelli maggiormente impiegati.

Nella sezione dei diodi abbiamo trattato del semiconduttore pn. E' stato spiegato il comportamento fortemente asimmetrico di questo componente nei confronti della polarità applicata ai suoi terminali, ovvero conduzione se potenziale positivo all'anodo e negativo al catodo, interdizione per polarità inversa. Come è ben noto, questo comportamento è da ricondurre a quanto avviene nella zona di giunzione, che si trova appunto fra la zona p e la zona n. Se al semiconduttore pn viene aggiunto un altro strato di semiconduttore n, si ottiene un semiconduttore npn, la cui costruzione schematica è indicata in fig. 1.

 

Fig. 1

In questo semiconduttore troviamo perciò due giunzioni, il cui effetto raddrizzante corrisponde a quello di due diodi posti in opposizione e che hanno il semiconduttore p come anodo comune. Un componente realizzato in questo modo viene chiamato transistor npn.

Il nome transistor è una contrazione di TRANSFER - RESISTOR ,che gli inventori idearono per descrivere chiaramente il suo funzionamento, mentre BIPOLARE deriva dal fatto che entrambe i tipi dei portatori di carica presenti nel semiconduttore, cioè buche ed elettroni, vengono coinvolte nel trasporto di corrente attraverso il dispositivo. La fig. 1 mostra inoltre il simbolo circuitale del transistore. I singoli strati semiconduttori sono muniti di terminali e ne sono indicate le diverse funzioni. Il terminale della zona di sinistra è detto emettitore (simbolo E), il terminale intermedio è detto base (simbolo B) ed il terminale a destra è detto collettore (simbolo C) Il significato ed il funzionamento delle singole zone verrà spiegato nel prossimo paragrafo. La disposizione dei terminali è indicata dai dati tecnici forniti dal costruttore. I contenitori più usati per transistori per piccoli segnali e di potenza sono indicati in fig. 3. I tre strati di semiconduttore sono drogati in modo alterno seguendo essenzialmente il seguente schema:

1.      Emettitore : Fortemente drogato, perciò estremamente ricco di cariche libere.

2.      Base : Poco drogata, quindi povera di cariche libere.

3.      Collettore : Fortemente drogata, pressoché come l'emettitore.

E' importante notare che affinché i tre strati costituiscano un transistor, e non semplicemente due diodi in opposizione, è necessario che lo spessore della base sia estremamente sottile, circa dell'ordine di grandezza della barriera di potenziale. La polarizzazione diretta della base comporta l'abbattimento della barriera di potenziale e la massiccia diffusione delle cariche dall'emettitore, che quindi invadono completamente la base. La corrente di base è dunque una grandezza di controllo del transistor, con essa possiamo arrivare ai due stati estremi di funzionamento ovvero INTERDIZIONE e SATURAZIONE, che equivalgono a resistenza Emettitore - Collettore molto alta o tendente allo zero.

Fig. 2

Oltre ai transistore npn, ci sono anche i transistori pnp. Questi hanno, al contrario dei transistori npn, come emettitore e come collettore due strati semiconduttori p e come base uno strato n. In uno schema, elettrico i due transistori si possono distinguere, poiché nei simboli la freccia è sempre rivolta verso l'elettrodo conduttore n, come si vede confrontando le fig. 1 e 2: per il transistore npn verso l'emettitore, conduttore n; per il transistore pnp verso la base, conduttore n.

Fig. 3

Sistema per contrassegnare transistor e diodi

I transistor e diodi vengono contrassegnati con una combinazione di lettere e numeri secondo un sistema unificato, in modo tale da dare informazioni sul materiale di base e sul modo d'impiego.

La prima lettera indica il materiale di base:

   

A GERMANIO 
SILICIO  
C ARSENIURO DI GALLIO  
INDIO-ANTIMONIO  
materiale semiconduttore per fotoconduttori e generatori di Hall  

 

La seconda lettera l'impiego:

 

C TRANSISTOR PER BASSA FREQUENZA  
TRANSISTOR DI POTENZA PER BASSA FREQUENZA  
TRANSISTOR PER ALTA FREQUENZA  
TRANSISTOR DI POTENZA PER ALTA FREQUENZA  
TRANSISTOR PER COMMUTAZIONE  
Y DIODO DI POTENZA  
Z DIODO ZENER  

I numeri sono un'indicazione interna della ditta produttrice e quindi non indicativi per l'impiego.

I semiconduttori americani possono avere in parte simbologia diversa.

 

L'azione di pilotaggio del transistor

L'utilizzo del transistor consiste nel fare in modo che una piccola corrente nel diodo base-emettitore produca una corrente notevolmente più grande nel diodo base-collettore: detto in altri termini questo comportamento costituisce l'azione di pilotaggio del transistor (controllo), cioè una variazione della corrente di base provoca una variazione essenzialmente più grande della corrente di collettore!!!Il rapporto fra la variazione della corrente di collettore e quella di base viene chiamato AMPLIFICAZIONE DINAMICA e generalmente indicato con la lettera β (beta).E' importante sapere che lo spessore dello strato di base influisce sul valore del fattore di amplificazione di CORRENTE STATICO B. Tramite l'inondazione della base con portatori di cariche, la barriera del diodo base-collettore viene abbattuta ed una quantità di elettroni scorre verso il collettore sotto l'effetto della tensione di collettore assai più grande di quella di base.

 

Curve caratteristiche e valori limiti

Dopo aver illustrato la costruzione ed il principio di funzionamento di un transistor è necessario conoscere dettagliatamente le sue caratteristiche elettriche. Queste costituiscono un insieme di curve che descrivono completamente il comportamento elettrico del componente e vengono dette CURVE CARATTERISTICHE: sebbene ogni esemplare possegga le sue caratteristiche individuali spessissimo diverse da ogni altro è possibile dare un andamento tipico per tutti i tipi di transistor bigiunzione. Come i tubi a vuoto anche i transistor hanno tre importanti diagrammi che sono: la caratteristica Vbe - Ib (caratteristica d'ingresso), la caratteristica Ic-Ib (caratteristica di controllo) e la caratteristica Ic-Vce (caratteristica d'uscita).Con gl'indici BE e CE si esprimono le tensioni fra base ed emettitore e rispettivamente tra collettore ed emettitore.

Occupiamoci per iniziare della caratteristica statica Vbe-Ib, che indicata come caratteristica d'ingresso in pratica rappresenta l'andamento della resistenza del tratto base-emettitore. Questa può essere rilevata utilizzando il circuito di fig. 4.

 

Fig. 4

Le tensioni di funzionamento vengono scelte circa uguali a quelle per il rilevamento delle caratteristiche del diodo. Prendendo un transistor per piccoli segnali, come ad esempio il BSX 24C,si ottengono per correnti di base fra 50 μA e 250 μA, tensioni di base-emettitore da Vbe = 0,55V fino a 0,65V. La resistenza di base Rb si calcola adottando un valore medio di Vbe pari a 0,6V ed utilizzando la Legge di Ohm per il circuito serie. Avremo dunque:

Rb1 = (Vb - Vbe) /Ib = (5V - 0,6V) / 50 μA = 0,088 MΩ = 88 kΩ

Rb2 = (5V - 0,6V) / 100 μA = 0,044 MΩ = 44 kΩ

e così via con incrementi della Ib di 50 μA. Le singole resistenze vengono inserite nel circuito e per ognuna di esse misuriamo la corrispondente Ib: i valori misurati vengono riportati nel diagramma Ib = f (Vbe) ottenedo dei punti che uniti ci consentono di visualizzare l'andamento della curva caratteristica. Come si può notare è perfettamente simile a quella di un comune diodo, infatti la giunzione base-emettitore presa a se stante non è altro che un diodo!!! A questo punto possiamo determinare anche la RESISTENZA D'INGRESSO, parametro micidialmente importante quando andremo ad accoppiare più stadi in cascata. Poiché siamo in presenza di un elemento non lineare, ovvero con una resistenza non costante al variare della corrente, abbiamo DUE TIPI DI RESISTENZA D'INGRESSO: LA RESISTENZA STATICA (Re) tipica ed univocamente riferita ad un preciso PUNTO DI LAVORO (PL) e quella DIFFERENZIALE o DINAMICA (re). Queste vengono così definite: prendiamo il punto PL con i cui valori vogliamo far lavorare la nostra giunzione e partendo dal valore Ib relativo la facciamo variare di 25 μA in piω ed in meno, ottenendo un'escursione, una variazione totale di 50 μA, conseguentemente andiamo a valutare la corrispondente variazione della Vbe (le variazioni si indicano con un Δ) e dalla legge di Ohm ricaviamoci la RESISTENZA DINAMICA D'INGRESSO,ovvero con i dati desunti dal diagramma:

re = Δ Vbe / Δ Ib = 30 mV / 50 μA = 0,6 kΩ

La RESISTENZA STATICA relativa al punto di lavoro PL sarà semplicemente pari a:

Re = Vbe / Ib = 615 mV / 125 μA = 4,9 kΩ

Il significato di questi due valori è il seguente: la resistenza d'ingresso Re = 4,9 kΩ determinata in un punto di lavoro varia al variare della tensione d'ingresso di 30 mV nel punto di lavoro PL, del valore della RESISTENZA DINAMICA re = 600 Ω, cioè da 4,6 kΩ a 5,2 kΩ con escursione possibile pari a 4,9 kΩ ± 300 Ω.

La caratteristica statica Ic-Ib di fig. 5 si ricava con gli stessi valori di Rb utilizzati, per determinare i punti necessari a tracciare il grafico occorre misurare solo i valori della corrente di collettore, quelle di base vengono riprese dal precedente diagramma. E' importante evidenziare che la caratteristica Ic-Ib vale per una tensione di collettore determinata, che DEVE ESSERE MANTENUTA COSTANTE IN TUTTO L'INTERVALLO DI MISURA, nel nostro esempio Vce = 5V. Qualsiasi variazione di questa tensione introdurrà un errore di misura che modificherà l'andamento del diagramma. Con la CARATTERISTICA DI CONTROLLO è possibile visualizzare la variazione della corrente di collettore al variare di quella di base, per cui è anche possibile determinare i valori di AMPLIFICAZIONE STATICA e DINAMICA.

Fig. 5

Con riferimento alla fig. 5 l'amplificazione statica di corrente relativa al punto di lavoro PL, si ricava dal rapporto delle rispettive e corrispondenti correnti:

B = Ic / Ib = 22 mA / 150 μA ≈ 150 volte

L'amplificazione dinamica di corrente si calcola dal rapporto fra le variazioni di corrente:

β = Δ Ic / Δ Ib = 7,5 mA / 50 μA ≈ 150 volte

 

Riassumendo in modo essenziale le informazioni sin qui ricavate, otteniamo i seguenti punti fondamentali:

  • Il transistor non può essere pilotato senza dissipazione di potenza, per pilotarlo occorre una corrente di base.

  • Il rapporto fra la corrente di base e di collettore è costante in tutto l'intervallo di controllo.  

  • La caratteristica d'ingresso di un transistor bigiunzione al silicio corrisponde nel suo andamento a quella di un diodo al silicio.

La caratteristica d'uscita Ic-Vce, fig. 6, viene rilevata per diversi valori della corrente di base Ib, sono perciò necessari nuovamente i resistori Rb1,Rb2,…. La tensione di collettore Vce, deve essere variata a salti, occorre dunque una tensione variabile fra 0 e 30V. Quindi si procede impostando prima la corrente di base e poi la tensione di collettore, per ogni singolo valore di Ib, viene successivamente aumentata a partire da 0V, andando a leggere la corrispondente corrente di collettore sullo strumento. Poiché la resistenza interna del transistor fra collettore ed emettitore (RESISTENZA INTERNA DEL GENERATORE) è un parametro importantissimo per il carico d'uscita e dunque fondamentale per arrivare ad un corretto adattamento, la possiamo calcolare per ogni punto di lavoro. Anche qui si distingue in RESISTENZA DI USCITA STATICA e DINAMICA, ovvero per la fig. 6:

 

RESISTENZA DINAMICA D'USCITA : ra = Δ Vce / Δ Ic = 5 V / 4 mA = 1,2 kΩ

RESISTENZA STATICA D'USCITA : Ra =Vce / Ic = 12,5 V / 60 mA = 0,2 kΩ

 

Fig. 6

Dall'esempio possiamo notare come la resistenza d'uscita varia al variare del punto di lavoro (PL), il diagramma infatti non rappresenta una funzione lineare. Con tutte e tre le caratteristiche, per un determinato punto di lavoro (PL), un dato intervallo di pilotaggio ΔVbe e rispettivamente Ib, θ possibile determinare con precisione e fissare i parametri di amplificazione di corrente, resistenza d'ingresso e resistenza d'uscita. Queste vengono comunque riportate dai costruttori sui manuali e datasheet per ogni tipo di transistor e per i diversi campi di applicazione.  

 

SOFTMAX PRODUCTION (2001)