Il transistor bipolare (BJT): funzionamento, zone di lavoro e polarizzazione
Struttura e funzionamento in zona attiva, guadagno di corrente, zone di lavoro, effetto Early, polarizzazione stabile, transistor come interruttore e fuga termica.
Il transistor bipolare a giunzione (BJT), inventato nel 1947-48 ai Bell Labs, è stato il primo dispositivo a semiconduttore capace di amplificare. Oggi nei circuiti digitali è stato sostituito dal MOSFET, ma resta fondamentale negli amplificatori analogici, nei riferimenti di tensione, nei circuiti a radiofrequenza e in quelli di potenza. In questa lezione vediamo come funziona, le sue equazioni e le sue zone di lavoro.
La struttura
Un BJT npn è fatto di tre zone: un emettitore n molto drogato, una base p sottile e poco drogata, un collettore n. Ci sono quindi due giunzioni: base-emettitore e base-collettore. Il pnp ha le stesse zone con i tipi scambiati, e tensioni e correnti di segno opposto.
Le tre zone non sono simmetriche, e le differenze sono proprio quelle che lo fanno funzionare:
- la base è molto più sottile della lunghezza di diffusione degli elettroni;
- l’emettitore è molto più drogato della base.
Il funzionamento in zona attiva
Nella zona attiva la giunzione base-emettitore è in diretta e quella base-collettore in inversa.
- La giunzione BE in diretta inietta elettroni dall’emettitore nella base, in quantità esponenziale con
, come in un diodo. - Nella base gli elettroni sono minoritari e diffondono. La base è così sottile che quasi nessuno si ricombina.
- Arrivati al bordo della giunzione BC, trovano il campo della regione svuotata, che li spinge nel collettore.
Il risultato: la corrente di collettore è controllata dalla tensione base-emettitore e quasi non dipende dalla tensione del collettore,
![\[ i_C = I_S\,e^{v_{BE}/V_T} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-4d89241788fa8367ba29749edb09d162_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
La giunzione BE inietta anche lacune dalla base nell’emettitore, e qualche elettrone si ricombina nella base: questi due contributi formano la piccola corrente di base, proporzionale a 
:
![\[ i_B = \frac{i_C}{\beta},\qquad i_E = i_C + i_B = \frac{\beta + 1}{\beta}\,i_C \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-91d6d92a85b981e85f054d35f341cde7_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
, il guadagno di corrente, vale tipicamente 50-300. Si usa anche 
: con 
, 
.
Perché β è grande. Con la teoria del diodo applicata alla giunzione BE, il rapporto tra la corrente di elettroni iniettati nella base e quella di lacune iniettate nell’emettitore è circa
![\[ \beta \approx \frac{D_n\,N_E\,L_{pE}}{D_p\,N_B\,W_B} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-e2c4bd6b6862aa4cb45b4897fcdbf45f_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
dove 
è lo spessore della base. Emettitore molto drogato (
) e base sottile ( piccolo) danno un grande: ecco perché la struttura non è simmetrica.
Le zone di lavoro
| Zona | Giunzione BE | Giunzione BC | Comportamento |
|---|---|---|---|
| interdizione | inversa | inversa | nessuna corrente, interruttore aperto |
| attiva | diretta | inversa |  , amplificatore |
| saturazione | diretta | diretta |  V, interruttore chiuso |
| attiva inversa | inversa | diretta | come la attiva, ma con piccolo |
Le caratteristiche d’uscita e l’effetto Early
In zona attiva le curve non sono perfettamente piatte: aumentando 
la regione svuotata BC si allarga dentro la base, la base effettiva si assottiglia e la corrente cresce un poco. È l’effetto Early, descritto da
![\[ i_C = I_S\,e^{v_{BE}/V_T}\left(1 + \frac{v_{CE}}{V_A}\right) \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-cb9db5ade8b1962ffd3e74efa07a3fca_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
con 
, la tensione di Early, tra 50 e 200 V. Il transistor ha quindi una resistenza d’uscita finita 
, che limita il guadagno degli amplificatori.
La polarizzazione
Per usare il transistor come amplificatore bisogna fissare un punto di lavoro in zona attiva. Il problema è che varia molto da esemplare a esemplare e con la temperatura.
- Con un solo resistore di base da
: 
e 
. Se raddoppia, raddoppia anche 
: da evitare. - Con partitore e resistore di emettitore: un partitore fissa la tensione di base
, e la corrente vale 
, indipendente da β. Con 
V e 
kΩ, 
mA qualunque sia il transistor. Il resistore di emettitore fa anche da retroazione: se la corrente tende a salire, sale 
, cala e la corrente si riduce.
Esempio. Con il circuito appena visto, 
V e 
kΩ: 
mA, sul resistore di collettore cadono 4,7 V e su quello di emettitore 2,3 V, quindi 
V. Il transistor è in zona attiva, con margine per l’escursione del segnale in entrambi i versi.
Il transistor come interruttore
Tra interdizione e saturazione il BJT fa da interruttore comandato. Per accendere un relè da 100 mA con un transistor con minimo 50 serve 
mA; per essere sicuri della saturazione si progetta con un “forzato” di 10-20, cioè 5-10 mA di base. In saturazione la base accumula carica, e lo spegnimento è più lento dell’accensione: è uno dei limiti dei BJT nei circuiti veloci.
La temperatura
Come nel diodo, a corrente costante diminuisce di circa 2 mV/°C; a tensione costante la corrente cresce. In un transistor di potenza, il riscaldamento fa salire la corrente, che fa salire ancora la temperatura: è la fuga termica, che si previene proprio con il resistore di emettitore e con un dissipatore adeguato. Al contrario, nei circuiti integrati la dipendenza di dalla temperatura, combinata con quella di 
, è usata per costruire i riferimenti di tensione “bandgap” stabili, a circa 1,2 V.
