Transistor a giunzione bipolare

Transistor a giunzione bipolare
Principio di funzionamento	Semiconduttore
Inventato da	Dicembre 1947
Simbolo elettrico
	; Simboli NPN e PNP
Configurazione pin	Collettore, base ed emettitore
	Vedi: componente elettronico
	Manuale

In elettronica il transistor a giunzione bipolare (in inglese bipolar junction transistor, abbreviato BJT) è un tipo di transistor che trova largo impiego nel campo dell'elettronica analogica, principalmente come amplificatore di corrente e interruttore. Costituisce la famiglia più diffusa in elettronica insieme al transistor a effetto di campo rispetto a cui è in grado di offrire una maggiore corrente in uscita con lo svantaggio tuttavia di non avere il terminale di controllo isolato (gate).

Esso è composto da tre strati di materiale semiconduttore drogato, solitamente silicio, in cui lo strato centrale ha drogaggio opposto agli altri due, in modo da formare una doppia giunzione p-n. A seconda del tipo dello strato centrale, sono possibili quindi due combinazioni, che danno anche il nome al tipo di transistor: p-n-p oppure n-p-n. A ogni strato è associato un terminale: quello centrale prende il nome di «base», quelli esterni sono detti «collettore» ed «emettitore». Il principio di funzionamento si fonda sulla possibilità di controllare la conduttività elettrica del dispositivo, e quindi la corrente elettrica che lo attraversa, mediante l'applicazione di una tensione tra i suoi terminali. Tale dispositivo coinvolge sia gli elettroni, sia le lacune (portatori di carica maggioritari), e pertanto questo tipo di transistor è detto «bipolare».

Il transistor a giunzione bipolare può essere usato classicamente in tre configurazioni diverse dette a base comune, a collettore comune o a emettitore comune: questi termini si riferiscono al terminale privo di segnale (di solito perché collegato al potenziale di riferimento, direttamente o tramite un condensatore di bypass).

Introduzione

Questo transistor è costituito sostanzialmente da due giunzioni p-n in antiserie: il terminale di base è il "collegamento fra le teste", mentre le estremità sono i due terminali di emettitore e collettore: il suo simbolo grafico rispecchia proprio questa caratteristica. Il suo funzionamento si basa sulla distanza fra le due giunzioni opposte, che deve essere molto minore della lunghezza di diffusione dei portatori di carica maggioritari delle zone di emettitore e collettore: questo fa sì che quando la giunzione emettitore-base passa in conduzione, i portatori di carica dall'emettitore diffondono in maggioranza nel collettore, rimanendo catturati dalla giunzione base-collettore, invece di raggiungere il terminale di base come dovrebbero (può quindi funzionare anche scambiando fra loro collettore ed emettitore, pur se con molta meno efficacia). Il rapporto β fra la corrente che viene catturata dal collettore e quella che raggiunge la base è uno dei parametri fondamentali di qualunque transistor a giunzione bipolare; generalmente vale da 50 a 800 o più, cioè la corrente al collettore è da 50 a 800 volte più grande di quella alla base.

Il piccolo simbolo del diodo sul terminale di emettitore, che identifica la polarità del transistor (pnp o npn) indica come sono orientate le giunzioni interne e quindi il tipo di portatori di carica maggioritari: i pnp hanno collettore ed emettitore di tipo p, quindi i portatori maggioritari sono le lacune; gli npn li hanno di tipo n, per cui sono elettroni. Nella progettazione e costruzione di circuiti elettronici, i transistor pnp e npn sono quasi del tutto identici per caratteristiche, ma le tensioni di polarizzazione ai loro capi devono essere di segno opposto.

Dunque, a seconda della polarizzazione, il transistor (al di là della configurazione), ha quattro regioni di funzionamento per tensioni di base crescenti:

Regione attiva inversa.
Regione di interdizione.
Regione di saturazione.
Regione attiva diretta.

Correnti

Considerando un transistor di tipo pnp, tra i tre terminali (base B, collettore C ed emettitore E) si possono individuare tre correnti $I_{B}, I_{C}, I_{E}$ che convenzionalmente si considerano entranti nel transistor e quindi positive. La corrente di emettitore è composta di una corrente di lacune $I_{p E}$ e una di elettroni $I_{n E}$ , entrambe hanno verso entrante nella base (le lacune, essendo positive, passano dall'emettitore alla base e gli elettroni, essendo negativi, passano dalla base all'emettitore, ma il verso della corrente è lo stesso per entrambe). Dunque la corrente di emettitore è data da:

I_{E} = I_{p E} + I_{n E}

Una parte notevole della corrente $I_{p E}$ attraversa la base e giunge al collettore, e si indica con $I_{p C 1}$ , l'altra parte di lacune che entrano nella base si ricombina con gli elettroni della base stessa ( $I_{p E} - I_{p C 1}$ ), mentre la corrente di elettroni $I_{n E}$ (che si muovono dalla base all'emettitore), essendo la base molto meno drogata rispetto all'emettitore, è molto inferiore rispetto alla corrente di lacune e quindi trascurabile.

La corrente di collettore è invece (essendo polarizzata inversamente) una piccola corrente di saturazione inversa, chiamata $I_{C 0}$ , che è composta da elettroni che passano dal collettore alla base $I_{n C 0}$ e da lacune che passano dalla base al collettore $I_{p C 0}$ . Anche nel collettore queste correnti hanno direzione convenzionale entrante nella base, ma effettivamente questa corrente esce dalla base. Dunque:

I_{C} = I_{C 0} - I_{p C 1}

ma anche:

I_{C 0} = I_{n C 0} + I_{p C 0}

Indicando con $α$ la frazione di corrente di emettitore che raggiunge il collettore allora:

I_{C} = I_{C 0} - α I_{E}

$α$ prende il nome di amplificazione di corrente per grandi segnali in questo caso a base comune. Può essere espressa anche come:

α = \frac{I_{C 0} - I_{C}}{I_{E}}

Per come è definito $α$ è sempre positivo e ha valore compreso tra 0.9 - 0.999 e varia con la tensione $V_{C B}$ .

Per il transistor npn si applicano le stesse considerazioni, invertendo i portatori di carica maggioritari e minoritari; le notazioni cambiano di conseguenza, tuttavia le equazioni valgono in analogia.

Regioni di lavoro

Il transistor viene spesso utilizzato come interruttore (switching transistor) adatto per attivare o disattivare circuiti, trasduttori e simili. In tutte queste applicazioni il funzionamento è legato a due particolari stati del transistor a giunzione bipolare: quello di saturazione (ON) e quello di interdizione (OFF).

Nella saturazione è indispensabile che le due giunzioni siano polarizzate direttamente. Per bassi valori $V_{C E}$ (tensione tra collettore ed emettitore) la corrente di base $I_{B}$ perde il controllo sulla corrente di collettore $I_{C}$ e manca la proporzionalità $I_{C} = h_{f e} \cdot I_{B}$ (dove $h_{f e}$ sta per guadagno di corrente in continua). I valori convenzionali delle tensioni di saturazione sono $V_{C E} = 0, 2 V$ e $V_{B E} = 0, 7 V$ .

Nell'interdizione il transistor non conduce (OFF) e questa condizione si verifica se entrambe le giunzioni sono polarizzate inversamente. Un transistor npn può essere considerato interdetto se la tensione $V_{B E}$ è minore o uguale a zero, mentre un transistor pnp può considerarsi interdetto se $V_{B E}$ è maggiore o uguale a zero.

Notevole importanza assume il tempo impiegato dal dispositivo per il passaggio da uno stato all'altro.

Nel caso ideale il transistor passa dallo stato OFF a quello ON e viceversa istantaneamente. In queste condizioni ideali, il transistor non è soggetto a dispersioni di calore perché nello stato di interdizione e in quello di saturazione non si verifica assorbimento di potenza. Nella realtà, nello stato di interdizione la corrente è molto ridotta così come nello stato di saturazione la tensione risulta quasi nulla.

Amplificazione

Il transistor funziona come amplificatore di corrente, dato che a una piccola variazione della tensione di ingresso corrisponde una grande variazione nella corrente di uscita.

Le configurazioni fondamentali degli amplificatori a singolo transistor sono:

Amplificatore a emettitore comune.
Amplificatore a base comune, usato ad esempio nel Cascode.
Amplificatore a collettore comune che viene usato come inseguitore di emettitore.

Configurazione a base comune

Nel transistor pnp le correnti sono quelle descritte sopra. Nella configurazione a base comune la corrente è dovuta essenzialmente alle lacune, e la corrente $I_{C}$ è completamente determinata dalla corrente $I_{E}$ e dalla tensione $V_{C B} = V_{C}$ . Inoltre la tensione $V_{E B}$ è anche determinata da queste due variabili, e allora si può graficare la caratteristica d'uscita:

I_{C} = f_{1} (V_{C B}, I_{E})

Il grafico della caratteristica di uscita ha in ascissa la $V_{C B} = V_{C}$ , in ordinata $I_{C}$ e viene parametrizzata in base ai valori di $I_{E}$ , mantenendo costante $V_{E B}$ . Come si nota vi sono tre regioni caratteristiche che sono anche generali: in tutte le configurazioni le regioni sono sempre quelle attiva, di interdizione e di saturazione.

Nel caso di transistor pnp a base comune la regione attiva è il caso in cui la giunzione $J_{C}$ è polarizzata inversamente e $J_{E}$ è polarizzata direttamente. Essa è rappresentata nella figura come una zona approssimativamente lineare.

Configurazione a emettitore comune

In questo schema l'emettitore è collegato direttamente all'alimentazione, mentre la base si trova alla tensione $V_{B E}$ . La $V_{C C}$ è la tensione di alimentazione del circuito ed $R_{L}$ è la resistenza di carico. La giunzione di emettitore risulta polarizzata direttamente e quella di collettore inversamente, operando quindi nella regione attiva del transistor. Dalla relazione:

(2) I_{B} = - I_{C} - I_{E}

e che:

(3) I_{C} = I_{C 0} - α I_{E}

si ricava la corrente di collettore:

I_{C} = I_{C 0} - α \cdot (- I_{B} - I_{C}) = I_{C 0} + α I_{B} + α I_{C}

mettendo in evidenza $I_{C}$ :

I_{C} = \frac{I_{C 0}}{1 - α} + \frac{α I_{B}}{1 - α}

In generale si definisce $(4) β = \frac{α}{1 - α}$ come «amplificazione per ampi segnali», e dunque:

(5) I_{C} = (1 + β) I_{C 0} + β I_{B}

che si può approssimare trascurando il primo addendo, dato che $I_{B} > > I_{C 0}$ :

(5^{'}) I_{C} ≃ β I_{B}

da cui si evidenzia come il transistor si comporta come amplificatore: una piccola variazione della corrente di base produce, tramite il coefficiente $β$ , una notevole variazione di corrente di collettore, essendo $0,95 \leq α \leq 0,999$ e dunque il coefficiente $β$ dell'ordine di $1 0^{2}$ . In questo senso il transistor è anche un generatore di corrente controllato in corrente (o anche controllato in tensione), per questa sua caratteristica.

Configurazione a collettore comune

Questa configurazione viene usata comunemente come buffer di tensione. In tale dispositivo il nodo di collettore del transistore è connesso all'alimentazione (un generatore di tensione), il nodo di base fa da ingresso mentre il nodo di emettitore fa da uscita. Il nodo di emettitore "insegue" il potenziale applicato all'ingresso, da cui il nome «inseguitore di emettitore» (in inglese emitter follower), usato di solito per riferirsi a questa configurazione. L'equivalente a FET del collettore comune è il drain comune.

Modelli fisici

Modello di Ebers-Moll

Il modello più simile a un transistor è quello di Ebers-Moll, poiché esso ha una rappresentazione molto più fisica del funzionamento del transistor e permette di considerarlo in tutte le sue regioni di funzionamento allo stesso modo. Il modello di Ebers-Moll identifica il transistor come formato da due diodi ideali posizionati in direzioni opposte con in parallelo a ognuno di essi un generatore dipendente di corrente controllato in corrente. In generale l'equazione (1) può essere utilizzata per rappresentare le correnti del diodo simmetricamente, intendendo la corrente di ingresso sia quella di emettitore, come nella (1), sia quella di collettore:

(1) I_{C} = - α_{F} I_{E} + I_{C 0} (1 - e^{\frac{V_{C}}{V_{T}}})

(6) I_{E} = - α_{I} I_{C} + I_{E 0} (1 - e^{\frac{V_{E}}{V_{T}}})

Si possono ricavare anche le formule delle tensioni:

(7) V_{C} = V_{T} \ln (1 - \frac{I_{C} + α_{F} I_{E}}{I_{C 0}})

(8) V_{E} = V_{T} \ln (1 - \frac{I_{E} + α_{I} I_{C}}{I_{E 0}})

dove $α_{F}, α_{I}$ sono le amplificazioni di corrente per identificare che nel primo caso il transistor in modo diretto (forward) e nel secondo inverso (inverse), come avevamo preannunciato.

Modello in corrente continua

Lo schema di fronte è la rappresentazione di un transistor npn connesso a due sorgenti di tensione. Perché il transistor conduca corrente da C a E, si applica una tensione (di circa 0.7 volt) alla giunzione base-emettitore. Questa tensione è chiamata $V_{B E}$ . Questo fa in modo che la giunzione p-n conduca permettendo a una corrente più grande ( $I_{C}$ ) di scorrere nel collettore. La corrente totale che scorre in uscita è semplicemente la corrente di emettitore, $I_{E}$ . Come tutti i componenti elettronici, la corrente totale in ingresso deve essere uguale alla corrente totale in uscita, quindi:

I_{E} = I_{B} + I_{C}

Questo comportamento può essere sfruttato per creare un interruttore digitale: se la tensione di base è semplicemente una serie di "acceso-spento", allora anche la corrente di collettore seguirà lo stesso andamento nel tempo

In termini generali, comunque, l'amplificazione $β_{d c}$ , ovvero il guadagno del transistor, è estremamente dipendente dalla temperatura di esercizio: all'aumentare della stessa il guadagno aumenta. In base alla tipologia di circuito elettronico che viene realizzato (ma in particolare nei circuiti amplificatori che richiedono al componente di lavorare nella zona lineare delle sue caratteristiche), il progettista dovrebbe sempre considerare una soddisfacente retroazione, tale da minimizzare gli effetti della variazione di temperatura.

Modello per piccoli segnali

Qualora i segnali siano abbastanza piccoli, il transistor si comporta con sufficiente linearità e si può usare il modello ibrido del transistor.

Modello del transistor ad alte frequenze

In questo caso non si possono utilizzare i modelli precedenti, perché il transistor non si comporta con linearità a causa delle nonlinearità di fase create dalle capacità parassite e del tempo di vita delle cariche minoritarie. In questo caso si usa il modello di Giacoletto o modello ibrido a parametri $π$ .

Note

Voci correlate

Altri progetti

Wikibooks contiene testi o manuali sui transistor a giunzione bipolare
Wikizionario contiene il lemma di dizionario «BJT»
Wikimedia Commons contiene immagini o altri file sui transistor a giunzione bipolare

Collegamenti esterni

BJT, su sapere.it, De Agostini.

(EN) bipolar transistor, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
(EN) Denis Howe, bipolar transistor, in Free On-line Dictionary of Computing. Disponibile con licenza GFDL
Transistor PNP o NPN?, su raffaeleilardo.it. URL consultato l'11 maggio 2026.
Curve caratteristiche, su st-and.ac.uk.
Analogia con l'acqua, su satcure-focus.com. URL consultato il 17 marzo 2005 (archiviato dall'url originale il 17 gennaio 2014).

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