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Tutto sui transistor a giunzione bipolare (BJT)
2024-03-21
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L'origine dei transistor a giunzione bipolare
Nei moderni transistor a giunzione bipolare, il silicio ha sostituito il germanio come substrato e il punto di contatto è stato sostituito da due giunzioni pn accoppiate adiacenti. La struttura può assumere la forma di pnp o npn.
Un transistor, abbreviazione di "resistenza di trasferimento", è un dispositivo a semiconduttore multi-giunzione. Tipicamente integrati con altri componenti del circuito, i transistor vengono utilizzati per ottenere l'amplificazione della tensione, della corrente o della potenza del segnale.
I transistor bipolari, noti anche come transistor a giunzione bipolare (BJT), sono tra i più importanti dispositivi a semiconduttore e trovano ampie applicazioni in circuiti ad alta velocità, circuiti analogici, amplificazione di potenza e altro ancora.
Ad esempio, un semiconduttore di tipo p è come un pezzo quadrato di argilla pieno di molti buchi (noti come buchi elettronici), simili alle tane viste nelle aragoste. Anche un semiconduttore di tipo n è un pezzo quadrato di argilla, ma è pieno di molte aragoste (elettroni liberi). Quando uniamo insieme questi due pezzi di argilla, le aragoste strisciano verso le tane.
Poiché le tane nelle prime file sono già quasi esaurite, l'industria dei semiconduttori definisce quest'area come la regione di esaurimento.
È come una porta: è facile per una persona aprire la porta in una direzione, ma è difficile se provi a spingerla nella direzione opposta. Naturalmente, puoi usare una grande forza per spingere violentemente la porta finché non si rompe, un processo che chiamiamo rottura della giunzione.
Osservando le caratteristiche corrente-tensione di una giunzione PN, la curva è come mostrata nel diagramma seguente.
Quando si applica una polarizzazione inversa a una giunzione PN, è come dare alle aragoste telescopi nel fango. Le aragoste possono vedere più lontano e strisciare con più entusiasmo, portando più aragoste a trovare tane. Di conseguenza, il movimento complessivo delle aragoste aumenta e la larghezza della regione di svuotamento del semiconduttore si espande.
Lo schema seguente mostra una vista prospettica di un transistor bipolare pnp. Il processo di produzione prevede l'utilizzo di un semiconduttore di tipo p come substrato, utilizzando il principio della diffusione termica per creare una regione di tipo n sul substrato di tipo p. Successivamente, su questa regione di tipo n si forma, mediante diffusione termica, una regione di tipo p+ ad alta concentrazione. Infine, il metallo viene utilizzato per coprire le regioni p+, n e le regioni sottostanti di tipo p per formare contatti ohmici.
La regione intermedia stretta di tipo n, con una moderata concentrazione di impurità, è chiamata base (indicata con B) e la larghezza della regione di base deve essere molto inferiore alla lunghezza di diffusione dei portatori minoritari;
La regione con la concentrazione più bassa di tipo p è chiamata collettore (indicata con C). Assumendo una distribuzione uniforme delle concentrazioni all'interno di ciascuna regione, il concetto di giunzione pn può essere applicato direttamente alle giunzioni all'interno del transistor.
Sostituendo le regioni di tipo p con regioni di tipo n e la regione di tipo n con una regione di tipo p nella struttura di un transistor bipolare pnp si ottiene la struttura di un transistor bipolare npn. Pertanto, anche la direzione della corrente e la polarità della tensione sono invertite.
Il diagramma (a) mostra il transistor bipolare pnp ideale in equilibrio termico, dove i suoi tre terminali sono collegati insieme o tutti collegati a massa, con regioni ombreggiate che rappresentano le regioni di svuotamento delle due giunzioni pn.
Il diagramma (b) illustra le concentrazioni di impurità nelle tre regioni drogate, con la regione di emettitore che ha una concentrazione di drogaggio molto più elevata rispetto alla regione del collettore e la regione di base che ha una concentrazione inferiore all'emettitore ma superiore a quella del collettore.
Il diagramma (c) illustra la distribuzione del campo elettrico nella regione di svuotamento.
Il diagramma (d) mostra il diagramma delle bande di energia del transistor, estendendo lo stato di equilibrio termico delle giunzioni pn e applicandolo alle due giunzioni p+ - n e alla giunzione n - p adiacenti accoppiate.
Il diagramma (a) mostra il transistor collegato come un amplificatore con configurazione a base comune, in cui la base è condivisa tra i circuiti di ingresso e di uscita.
I diagrammi (b) e (c) illustrano la densità di carica e la distribuzione del campo elettrico in condizioni di polarizzazione, rispetto allo stato di equilibrio termico rappresentato nel diagramma precedente. La larghezza della regione di svuotamento in corrispondenza della giunzione emettitore-base si restringe, mentre la regione di svuotamento in corrispondenza della giunzione collettore-base si allarga.
Il diagramma (d) mostra il diagramma delle bande di energia del transistor funzionante in modalità di amplificazione. La giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente, provocando l'iniezione di lacune dalla regione dell'emettitore p+ nella regione di base e l'iniezione di elettroni dalla regione di base nella regione dell'emettitore.
D'altra parte, la giunzione collettore-base è polarizzata inversamente, consentendo il flusso di una corrente di saturazione inversa. Se la regione di base è sufficientemente stretta, i fori iniettati dalla regione di emettitore nella regione di base possono diffondersi attraverso la regione di base e raggiungere il bordo della regione di svuotamento della base del collettore, scorrendo infine attraverso la regione del collettore sotto la sollecitazione del collettore-base. giunzione di base.
Questo meccanismo di trasporto dà origine ai nomi "emettitore" per l'iniezione di portatori di carica e "collettore" per raccogliere i portatori iniettati dalla giunzione adiacente.
Se la maggior parte delle lacune iniettate non si ricombina con gli elettroni nella regione di base ma raggiunge il collettore, la corrente del collettore dovuta alle lacune corrisponderà strettamente alla corrente della lacuna dell'emettitore.
È evidente che i fori iniettati dalla giunzione emettitore-base adiacente possono generare una corrente significativa nella giunzione collettore-base polarizzata inversamente, portando all'effetto di amplificazione del transistor, che si verifica solo quando queste due giunzioni sono sufficientemente vicine tra loro, quindi denominate giunzioni pn interagenti.
Al contrario, se queste due giunzioni pn sono troppo distanti, tutte le lacune in ingresso si ricombineranno con gli elettroni nella regione di base e non raggiungeranno la regione di collettore, con conseguente assenza di effetto di amplificazione del transistor. In questo caso, la struttura pnp si comporta semplicemente come due diodi pn collegati in posizione contrapposta.
Guadagno di corrente: il diagramma seguente illustra i vari componenti di corrente in un transistor pnp ideale che funziona in modalità di amplificazione. Supponendo che non vi sia corrente di generazione-ricombinazione nella regione di esaurimento, le lacune iniettate dalla regione di emettitore costituiscono la componente di corrente predominante IEp.
Ci sono tre correnti alla base: IBB, IEn e ICn.
IBB rappresenta la corrente di elettroni forniti dalla base che si ricombinano con le lacune incidenti (cioè IBB = IEp - ICp); IEn rappresenta la corrente di elettroni iniettati dalla regione di base nella regione di emettitore, che è una componente di corrente indesiderata che può essere ridotta mediante un forte drogaggio dell'emettitore o utilizzando eterogiunzioni; ICn rappresenta la corrente elettronica generata vicino alla giunzione del collettore a causa degli effetti termici, che scorre dalla regione del collettore alla regione di base.
Modalità operative: a seconda delle tensioni di polarizzazione sulla giunzione emettitore-base e sulla giunzione collettore-base, i transistor bipolari hanno quattro modalità operative.
Il diagramma seguente illustra le quattro modalità operative di un transistor pnp e le loro relazioni con VEB e VCB. Nel diagramma è mostrata anche la distribuzione dei vettori minoritari in ciascuna modalità operativa.
Ad esempio, nella modalità di amplificazione, la giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente e la giunzione collettore-base è polarizzata inversamente.
Nella modalità di saturazione, entrambe le giunzioni del transistor sono polarizzate direttamente, portando alla presenza di portatori minoritari nelle regioni di svuotamento di entrambe le giunzioni.
In modalità saturazione, una piccola tensione può produrre una grande corrente di uscita, mettendo il transistor in uno stato di conduzione simile ad un cortocircuito.
Nella modalità di interruzione, entrambe le giunzioni del transistor sono polarizzate inversamente, portando a condizioni al contorno di pn(0) = pn(W) = 0. Il transistor in modalità di interruzione può essere visto come un interruttore nella posizione aperta (o spenta) .
Nella modalità invertita, la giunzione emettitore-base è polarizzata al contrario e la giunzione collettore-base è polarizzata direttamente. In questa modalità l'elettrodo collettore funziona come emettitore e viceversa. Tuttavia, il guadagno di corrente nella modalità invertita è tipicamente inferiore rispetto alla modalità di amplificazione a causa della minore concentrazione di drogaggio nella regione del collettore rispetto alla regione di base, con conseguente minore "efficienza di emissione".
Processo transitorio di commutazione: nei circuiti digitali, i transistor fungono principalmente da interruttori. Utilizzando una corrente di base ridotta, la corrente del collettore può essere rapidamente modificata da spento a acceso (e viceversa) in un tempo molto breve. Nello stato spento c'è alta tensione e bassa corrente, mentre nello stato acceso c'è bassa tensione e alta corrente.
Transistor bipolari a eterogiunzione (HBT)
I transistor bipolari a eterogiunzione (HBT) sono transistor in cui una o entrambe le giunzioni sono realizzate con materiali semiconduttori diversi.
Il vantaggio principale degli HBT è la loro elevata efficienza di emissione e vengono utilizzati in modo simile ai transistor bipolari. Tuttavia, gli HBT hanno velocità più elevate e possono funzionare a frequenze più elevate. A causa di queste caratteristiche, gli HBT sono ampiamente utilizzati nell'optoelettronica, nelle microonde e nelle applicazioni digitali. Nelle applicazioni a microonde, gli HBT sono comunemente utilizzati per produrre amplificatori di potenza, oscillatori e mixer a microonde e onde millimetriche allo stato solido.
Struttura HBT di base: la maggior parte delle tecnologie HBT sono sviluppate nel sistema di materiali AlxGa1-xAs/GaAs. La struttura di base dell'HBT npn è costituita da uno strato AlxGa1-xAs con ampia banda proibita nella regione dell'emettitore di tipo n, uno strato di GaAs con banda proibita più stretta nella regione di base di tipo p e regioni di collettore e sottocollettore di tipo n costituite da strati leggermente drogati e fortemente drogati. GaAs, rispettivamente.
HBT avanzati: negli ultimi anni, i materiali della serie InP (come InP/InGaAs o AlInAs/InGaAs) sono stati studiati sistematicamente e le eterostrutture basate su InP offrono numerosi vantaggi. La struttura InP/InGaAs presenta una ricombinazione superficiale estremamente bassa e la mobilità degli elettroni di InGaAs è molto superiore a quella di GaAs, con conseguenti eccellenti prestazioni ad alta frequenza.
Il grafico seguente mostra la curva caratteristica di un tipico HBT a base di fosfuro di indio, con una frequenza di taglio che arriva fino a 254 GHz. Inoltre, InP dimostra una velocità di deriva maggiore rispetto al GaAs sotto forti campi elettrici e ha anche una tensione di rottura più elevata.
La bassa densità delle trappole di interfaccia in silicio aiuta a ridurre la corrente di ricombinazione superficiale, garantendo un elevato guadagno di corrente anche a basse correnti di collettore. Inoltre, la compatibilità con la tecnologia di lavorazione del silicio standard è un'altra caratteristica molto interessante.
Il diagramma in (a) illustra una tipica struttura Si/SiGe HBT, mentre (b) confronta la corrente di collettore del Si/SiGe HBT con quella di un transistor bipolare a omogiunzione di silicio, mostrando che il Si/SiGe HBT presenta un guadagno di corrente più elevato. Rispetto agli HBT a base di arseniuro di gallio e fosfuro di indio, il Si/SiGe
L'HBT ha una frequenza di taglio inferiore a causa della minore mobilità dei portatori del silicio.
Caratteristiche di base: il diagramma seguente illustra la sezione trasversale di un dispositivo a tiristori, costituito da una struttura pnpn a quattro strati formata da tre giunzioni pn collegate in serie, ovvero J1, J2 e J3. Lo strato p più esterno, collegato all'elettrodo di contatto, è chiamato anodo, mentre lo strato n sull'altro lato è chiamato catodo. Questa struttura, senza elettrodi aggiuntivi, rappresenta un dispositivo a due terminali ed è nota come diodo pnpn.
Il diagramma (c) illustra il diagramma delle bande di energia del dispositivo a tiristori in equilibrio termico. Ciascuna giunzione ha uno strato di svuotamento e il potenziale incorporato è determinato dalla concentrazione del drogante.
Se l'impulso di corrente del gate viene applicato vicino all'inizio di ciascun ciclo, verrà trasferita più potenza al carico. Al contrario, ritardare l'impulso della corrente di gate comporterà una notevole riduzione della potenza erogata al carico poiché il dispositivo a tiristore conduce verso la fine del ciclo.
Il transistor a giunzione bipolare è stato inventato da un gruppo di ricerca dei Bell Laboratories nel 1947. Il primo transistor consisteva in due fili metallici con estremità affilate che facevano contatto puntuale con un substrato di germanio. Sebbene primitivo per gli standard odierni, questo primo transistor trasformò in modo significativo l'intera industria elettronica e il modo di vivere dell'umanità.
Nei moderni transistor a giunzione bipolare, il silicio ha sostituito il germanio come substrato e il punto di contatto è stato sostituito da due giunzioni pn accoppiate adiacenti. La struttura può assumere la forma di pnp o npn.
Un transistor, abbreviazione di "resistenza di trasferimento", è un dispositivo a semiconduttore multi-giunzione. Tipicamente integrati con altri componenti del circuito, i transistor vengono utilizzati per ottenere l'amplificazione della tensione, della corrente o della potenza del segnale.
I transistor bipolari, noti anche come transistor a giunzione bipolare (BJT), sono tra i più importanti dispositivi a semiconduttore e trovano ampie applicazioni in circuiti ad alta velocità, circuiti analogici, amplificazione di potenza e altro ancora.
Cos'è una giunzione PN?
È una giunzione formata dal contatto tra un semiconduttore di tipo p e un semiconduttore di tipo n.
Ad esempio, un semiconduttore di tipo p è come un pezzo quadrato di argilla pieno di molti buchi (noti come buchi elettronici), simili alle tane viste nelle aragoste. Anche un semiconduttore di tipo n è un pezzo quadrato di argilla, ma è pieno di molte aragoste (elettroni liberi). Quando uniamo insieme questi due pezzi di argilla, le aragoste strisciano verso le tane.
Le aragoste più avanti sono le prime a trovare le tane in prima fila. Una volta che le aragoste della prima fila sono strisciate nelle tane, le aragoste dietro di loro devono arrampicarsi più lontano e affrontare maggiori difficoltà nel trovare le tane.
Poiché le tane nelle prime file sono già quasi esaurite, l'industria dei semiconduttori definisce quest'area come la regione di esaurimento.
La giunzione PN ha una caratteristica chiamata raddrizzamento, che consente alla corrente di fluire in una sola direzione.
È come una porta: è facile per una persona aprire la porta in una direzione, ma è difficile se provi a spingerla nella direzione opposta. Naturalmente, puoi usare una grande forza per spingere violentemente la porta finché non si rompe, un processo che chiamiamo rottura della giunzione.
Osservando le caratteristiche corrente-tensione di una giunzione PN, la curva è come mostrata nel diagramma seguente.
Quando si applica una polarizzazione diretta a una giunzione PN, è come mettere gli occhi bendati sulle aragoste nel fango. Le aragoste diventano miopi e riescono a vedere solo le tane in prima fila. Di conseguenza, il movimento complessivo delle aragoste diminuisce e diminuisce anche il numero di aragoste che strisciano verso le tane, riducendo la larghezza della regione di svuotamento.
Quando si applica una polarizzazione inversa a una giunzione PN, è come dare alle aragoste telescopi nel fango. Le aragoste possono vedere più lontano e strisciare con più entusiasmo, portando più aragoste a trovare tane. Di conseguenza, il movimento complessivo delle aragoste aumenta e la larghezza della regione di svuotamento del semiconduttore si espande.
Nella figura seguente, (a) rappresenta la larghezza normale della regione di svuotamento in una giunzione PN, (b) mostra la larghezza dopo l'applicazione di una polarizzazione diretta e (c) mostra la larghezza dopo l'applicazione di una polarizzazione inversa.
La struttura di un transistor bipolare:
Lo schema seguente mostra una vista prospettica di un transistor bipolare pnp. Il processo di produzione prevede l'utilizzo di un semiconduttore di tipo p come substrato, utilizzando il principio della diffusione termica per creare una regione di tipo n sul substrato di tipo p. Successivamente, su questa regione di tipo n si forma, mediante diffusione termica, una regione di tipo p+ ad alta concentrazione. Infine, il metallo viene utilizzato per coprire le regioni p+, n e le regioni sottostanti di tipo p per formare contatti ohmici.
Il transistor bipolare pnp è costituito da tre regioni con diverse concentrazioni di drogaggio, che formano due giunzioni pn. La regione p+ con la concentrazione più alta è chiamata emettitore (indicata con E);
La regione intermedia stretta di tipo n, con una moderata concentrazione di impurità, è chiamata base (indicata con B) e la larghezza della regione di base deve essere molto inferiore alla lunghezza di diffusione dei portatori minoritari;
La regione con la concentrazione più bassa di tipo p è chiamata collettore (indicata con C). Assumendo una distribuzione uniforme delle concentrazioni all'interno di ciascuna regione, il concetto di giunzione pn può essere applicato direttamente alle giunzioni all'interno del transistor.
Lo schema seguente mostra il simbolo circuitale di un transistor bipolare pnp, indicando le varie componenti di corrente e polarità di tensione. Le frecce e i simboli "+" e "–" rappresentano le direzioni delle correnti e le polarità delle tensioni nella modalità di funzionamento generale (ovvero modalità di amplificazione, modalità attiva) del transistor. In questa modalità, la giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente (VEB > 0), mentre la giunzione collettore-base è polarizzata inversamente (VCB < 0). Secondo
Secondo la legge circuitale di Kirchhoff, per questo dispositivo a tre terminali, ci sono solo due correnti indipendenti; se si conoscono due correnti, è possibile determinare la corrente del terzo terminale.
Secondo la legge circuitale di Kirchhoff, per questo dispositivo a tre terminali, ci sono solo due correnti indipendenti; se si conoscono due correnti, è possibile determinare la corrente del terzo terminale.
La struttura e il simbolo circuitale di un transistor bipolare npn sono complementari a quelli di un transistor bipolare pnp. Il diagramma seguente mostra la struttura ideale e il simbolo circuitale di un transistor pnp.
Sostituendo le regioni di tipo p con regioni di tipo n e la regione di tipo n con una regione di tipo p nella struttura di un transistor bipolare pnp si ottiene la struttura di un transistor bipolare npn. Pertanto, anche la direzione della corrente e la polarità della tensione sono invertite.
Comprendendo il transistor pnp, è possibile descrivere il transistor npn semplicemente scambiando la polarità e i tipi di drogaggio.
IV. Modalità di amplificazione del transistor bipolare
Il diagramma (a) mostra il transistor bipolare pnp ideale in equilibrio termico, dove i suoi tre terminali sono collegati insieme o tutti collegati a massa, con regioni ombreggiate che rappresentano le regioni di svuotamento delle due giunzioni pn.
Il diagramma (b) illustra le concentrazioni di impurità nelle tre regioni drogate, con la regione di emettitore che ha una concentrazione di drogaggio molto più elevata rispetto alla regione del collettore e la regione di base che ha una concentrazione inferiore all'emettitore ma superiore a quella del collettore.
Il diagramma (c) illustra la distribuzione del campo elettrico nella regione di svuotamento.
Il diagramma (d) mostra il diagramma delle bande di energia del transistor, estendendo lo stato di equilibrio termico delle giunzioni pn e applicandolo alle due giunzioni p+ - n e alla giunzione n - p adiacenti accoppiate.
Il diagramma seguente corrisponde al transistor che funziona in modalità di amplificazione come illustrato nell'illustrazione precedente.
Il diagramma (a) mostra il transistor collegato come un amplificatore con configurazione a base comune, in cui la base è condivisa tra i circuiti di ingresso e di uscita.
I diagrammi (b) e (c) illustrano la densità di carica e la distribuzione del campo elettrico in condizioni di polarizzazione, rispetto allo stato di equilibrio termico rappresentato nel diagramma precedente. La larghezza della regione di svuotamento in corrispondenza della giunzione emettitore-base si restringe, mentre la regione di svuotamento in corrispondenza della giunzione collettore-base si allarga.
Il diagramma (d) mostra il diagramma delle bande di energia del transistor funzionante in modalità di amplificazione. La giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente, provocando l'iniezione di lacune dalla regione dell'emettitore p+ nella regione di base e l'iniezione di elettroni dalla regione di base nella regione dell'emettitore.
In un diodo ideale, non c'è corrente di generazione-ricombinazione nella regione di svuotamento, quindi le lacune iniettate dalla regione dell'emettitore alla regione di base e gli elettroni iniettati dalla regione di base alla regione dell'emettitore costituiscono la corrente dell'emettitore.
D'altra parte, la giunzione collettore-base è polarizzata inversamente, consentendo il flusso di una corrente di saturazione inversa. Se la regione di base è sufficientemente stretta, i fori iniettati dalla regione di emettitore nella regione di base possono diffondersi attraverso la regione di base e raggiungere il bordo della regione di svuotamento della base del collettore, scorrendo infine attraverso la regione del collettore sotto la sollecitazione del collettore-base. giunzione di base.
Questo meccanismo di trasporto dà origine ai nomi "emettitore" per l'iniezione di portatori di carica e "collettore" per raccogliere i portatori iniettati dalla giunzione adiacente.
Se la maggior parte delle lacune iniettate non si ricombina con gli elettroni nella regione di base ma raggiunge il collettore, la corrente del collettore dovuta alle lacune corrisponderà strettamente alla corrente della lacuna dell'emettitore.
È evidente che i fori iniettati dalla giunzione emettitore-base adiacente possono generare una corrente significativa nella giunzione collettore-base polarizzata inversamente, portando all'effetto di amplificazione del transistor, che si verifica solo quando queste due giunzioni sono sufficientemente vicine tra loro, quindi denominate giunzioni pn interagenti.
Al contrario, se queste due giunzioni pn sono troppo distanti, tutte le lacune in ingresso si ricombineranno con gli elettroni nella regione di base e non raggiungeranno la regione di collettore, con conseguente assenza di effetto di amplificazione del transistor. In questo caso, la struttura pnp si comporta semplicemente come due diodi pn collegati in posizione contrapposta.
Guadagno di corrente: il diagramma seguente illustra i vari componenti di corrente in un transistor pnp ideale che funziona in modalità di amplificazione. Supponendo che non vi sia corrente di generazione-ricombinazione nella regione di esaurimento, le lacune iniettate dalla regione di emettitore costituiscono la componente di corrente predominante IEp.
La maggior parte dei fori incidenti raggiungerà l'elettrodo del collettore e formerà ICp.
Ci sono tre correnti alla base: IBB, IEn e ICn.
IBB rappresenta la corrente di elettroni forniti dalla base che si ricombinano con le lacune incidenti (cioè IBB = IEp - ICp); IEn rappresenta la corrente di elettroni iniettati dalla regione di base nella regione di emettitore, che è una componente di corrente indesiderata che può essere ridotta mediante un forte drogaggio dell'emettitore o utilizzando eterogiunzioni; ICn rappresenta la corrente elettronica generata vicino alla giunzione del collettore a causa degli effetti termici, che scorre dalla regione del collettore alla regione di base.
Modalità operative: a seconda delle tensioni di polarizzazione sulla giunzione emettitore-base e sulla giunzione collettore-base, i transistor bipolari hanno quattro modalità operative.
Il diagramma seguente illustra le quattro modalità operative di un transistor pnp e le loro relazioni con VEB e VCB. Nel diagramma è mostrata anche la distribuzione dei vettori minoritari in ciascuna modalità operativa.
Ad esempio, nella modalità di amplificazione, la giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente e la giunzione collettore-base è polarizzata inversamente.
Nella modalità di saturazione, entrambe le giunzioni del transistor sono polarizzate direttamente, portando alla presenza di portatori minoritari nelle regioni di svuotamento di entrambe le giunzioni.
In modalità saturazione, una piccola tensione può produrre una grande corrente di uscita, mettendo il transistor in uno stato di conduzione simile ad un cortocircuito.
Nella modalità di interruzione, entrambe le giunzioni del transistor sono polarizzate inversamente, portando a condizioni al contorno di pn(0) = pn(W) = 0. Il transistor in modalità di interruzione può essere visto come un interruttore nella posizione aperta (o spenta) .
Nella modalità invertita, la giunzione emettitore-base è polarizzata al contrario e la giunzione collettore-base è polarizzata direttamente. In questa modalità l'elettrodo collettore funziona come emettitore e viceversa. Tuttavia, il guadagno di corrente nella modalità invertita è tipicamente inferiore rispetto alla modalità di amplificazione a causa della minore concentrazione di drogaggio nella regione del collettore rispetto alla regione di base, con conseguente minore "efficienza di emissione".
Processo transitorio di commutazione: nei circuiti digitali, i transistor fungono principalmente da interruttori. Utilizzando una corrente di base ridotta, la corrente del collettore può essere rapidamente modificata da spento a acceso (e viceversa) in un tempo molto breve. Nello stato spento c'è alta tensione e bassa corrente, mentre nello stato acceso c'è bassa tensione e alta corrente.
Transistor bipolari a eterogiunzione (HBT)
I transistor bipolari a eterogiunzione (HBT) sono transistor in cui una o entrambe le giunzioni sono realizzate con materiali semiconduttori diversi.
Il vantaggio principale degli HBT è la loro elevata efficienza di emissione e vengono utilizzati in modo simile ai transistor bipolari. Tuttavia, gli HBT hanno velocità più elevate e possono funzionare a frequenze più elevate. A causa di queste caratteristiche, gli HBT sono ampiamente utilizzati nell'optoelettronica, nelle microonde e nelle applicazioni digitali. Nelle applicazioni a microonde, gli HBT sono comunemente utilizzati per produrre amplificatori di potenza, oscillatori e mixer a microonde e onde millimetriche allo stato solido.
Struttura HBT di base: la maggior parte delle tecnologie HBT sono sviluppate nel sistema di materiali AlxGa1-xAs/GaAs. La struttura di base dell'HBT npn è costituita da uno strato AlxGa1-xAs con ampia banda proibita nella regione dell'emettitore di tipo n, uno strato di GaAs con banda proibita più stretta nella regione di base di tipo p e regioni di collettore e sottocollettore di tipo n costituite da strati leggermente drogati e fortemente drogati. GaAs, rispettivamente.
Per formare un contatto ohmico, uno strato di arseniuro di gallio di tipo n altamente drogato viene aggiunto tra il contatto dell'emettitore e lo strato di arseniuro di gallio e alluminio. A causa della differenza significativa nell'ampiezza del gap di banda tra le regioni dell'emettitore e della base, il guadagno di corrente dell'emettitore comune può essere aumentato in modo significativo. Al contrario, i transistor bipolari a omogiunzione non hanno una tale differenza di larghezza di banda proibita e quindi il rapporto di concentrazione del drogaggio tra le regioni dell'emettitore e della base deve essere aumentato in modo significativo. Questa differenza fondamentale distingue l'omogiunzione dai transistor bipolari a eterogiunzione.
HBT avanzati: negli ultimi anni, i materiali della serie InP (come InP/InGaAs o AlInAs/InGaAs) sono stati studiati sistematicamente e le eterostrutture basate su InP offrono numerosi vantaggi. La struttura InP/InGaAs presenta una ricombinazione superficiale estremamente bassa e la mobilità degli elettroni di InGaAs è molto superiore a quella di GaAs, con conseguenti eccellenti prestazioni ad alta frequenza.
Il grafico seguente mostra la curva caratteristica di un tipico HBT a base di fosfuro di indio, con una frequenza di taglio che arriva fino a 254 GHz. Inoltre, InP dimostra una velocità di deriva maggiore rispetto al GaAs sotto forti campi elettrici e ha anche una tensione di rottura più elevata.
Un altro tipo di eterogiunzione è il sistema di materiali Si/SiGe, che offre diverse caratteristiche interessanti per le applicazioni HBT. Similmente all'HBT AlGaAs/GaAs, anche l'HBT Si/SiGe beneficia della capacità di drogarsi pesantemente grazie alla differenza di larghezza di banda proibita, con conseguente prestazione ad alta velocità.
La bassa densità delle trappole di interfaccia in silicio aiuta a ridurre la corrente di ricombinazione superficiale, garantendo un elevato guadagno di corrente anche a basse correnti di collettore. Inoltre, la compatibilità con la tecnologia di lavorazione del silicio standard è un'altra caratteristica molto interessante.
Il diagramma in (a) illustra una tipica struttura Si/SiGe HBT, mentre (b) confronta la corrente di collettore del Si/SiGe HBT con quella di un transistor bipolare a omogiunzione di silicio, mostrando che il Si/SiGe HBT presenta un guadagno di corrente più elevato. Rispetto agli HBT a base di arseniuro di gallio e fosfuro di indio, il Si/SiGe
L'HBT ha una frequenza di taglio inferiore a causa della minore mobilità dei portatori del silicio.
Sezione VI: Dispositivi a tiristori e relativi dispositivi di potenza
I dispositivi a tiristori sono componenti di potenza cruciali in grado di controllare alta tensione e corrente elevata, consentendo al dispositivo di passare da uno stato chiuso o bloccato a uno stato aperto o conduttivo e viceversa. Il loro funzionamento è strettamente correlato ai transistor bipolari, coinvolgendo la conduzione sia di elettroni che di lacune.
Tuttavia, il loro meccanismo di commutazione e la loro struttura differiscono dai transistor bipolari, offrendo un'ampia gamma di capacità di controllo di corrente e tensione. La corrente nominale può variare da pochi milliampere a oltre 5000 A, con una tensione nominale superiore a 10,000 V.
Tuttavia, il loro meccanismo di commutazione e la loro struttura differiscono dai transistor bipolari, offrendo un'ampia gamma di capacità di controllo di corrente e tensione. La corrente nominale può variare da pochi milliampere a oltre 5000 A, con una tensione nominale superiore a 10,000 V.
Caratteristiche di base: il diagramma seguente illustra la sezione trasversale di un dispositivo a tiristori, costituito da una struttura pnpn a quattro strati formata da tre giunzioni pn collegate in serie, ovvero J1, J2 e J3. Lo strato p più esterno, collegato all'elettrodo di contatto, è chiamato anodo, mentre lo strato n sull'altro lato è chiamato catodo. Questa struttura, senza elettrodi aggiuntivi, rappresenta un dispositivo a due terminali ed è nota come diodo pnpn.
Se un altro elettrodo, noto come gate, viene collegato allo strato p2 interno, il dispositivo a tre terminali risultante viene chiamato raddrizzatore controllato da semiconduttore (SCR) o tiristore.
Il diagramma in (b) mostra un tipico profilo di drogaggio di un dispositivo a tiristori. Si inizia con un wafer di silicio di tipo n ad alta resistività come materiale di partenza (strato n), seguito da una fase di diffusione per formare simultaneamente gli strati p1 e p2. Infine, viene utilizzata la lega o la diffusione per creare lo strato n2 su un lato del wafer di silicio.
Il diagramma (c) illustra il diagramma delle bande di energia del dispositivo a tiristori in equilibrio termico. Ciascuna giunzione ha uno strato di svuotamento e il potenziale incorporato è determinato dalla concentrazione del drogante.
Lo schema illustra una semplice applicazione di un dispositivo a tiristori, in grado di regolare la potenza erogata dalla linea elettrica al carico. Il carico, RL, potrebbe essere, ad esempio, una lampadina o un riscaldatore. La potenza erogata al carico in ciascun ciclo è controllata dall'impulso di corrente di gate del dispositivo a tiristori.
Se l'impulso di corrente del gate viene applicato vicino all'inizio di ciascun ciclo, verrà trasferita più potenza al carico. Al contrario, ritardare l'impulso della corrente di gate comporterà una notevole riduzione della potenza erogata al carico poiché il dispositivo a tiristore conduce verso la fine del ciclo.
Queste sono tutte le informazioni riguardanti i transistor bipolari.
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