| |
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:
La seconda lettera
l'impiego:
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:
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) |
|