Transistori a giunzione bipolare
Prima che l’evoluzione dei MOSFET producesse la tecnologia CMOS, il transistore a giunzione bipolare (BJT) era l’elemento attivo per eccellenza. Oggi, i CMOS sono molto più prestanti in termini di efficienza e dimensioni, e per questo sono protagonisti nella maggior parte delle applicazioni. Tuttavia, i transistori a giunzione bipolare vengono ancora utilizzati negli interruttori ad alta tensione/corrente e nei circuiti analogici/digitali ad alta velocità in cui i CMOS soffrono di grandi perdite di commutazione.
Argomenti chiave:
- I tre terminali e le quattro modalità operative di un transistore a giunzione bipolare.
- Guadagni e configurazioni.
- Perché i transitori a giunzione bipolare eccellono ancora nei progetti ad alta velocità.
BJT e MOSFET a confronto
Come accennato, prima dell’avvento dei CMOS, la tecnologia BJT era la più diffusa. Vediamo le differenze tra le due tecnologie.
Struttura e funzionamento del BJT
Il transistore a giunzione bipolare è un elemento attivo pilotato in corrente. È in grado di assorbire una corrente sul terminale di base e di moltiplicarla opportunamente. La giunzione bipolare è costituita dall’alternanza di regioni drogate, che possono essere ricche di elettroni, regioni di tipo n, oppure ricche nell’assenza di elettroni, regioni di tipo p. Alternando queste due regioni si possono creare BJT di tipo NPN o PNP.
Il transistore a giunzione bipolare è composto da tre terminali:
- Base: è il terminale di controllo del transistore. Una tensione di polarizzazione applicata alla base fa scorrere la corrente dal collettore all’emettitore (tipicamente la direzione preferita per il massimo guadagno in corrente) o dall’emettitore al collettore.
- Collettore: circonda la base e l’emettitore per impedire la fuga degli elettroni iniettati.
- Emettitore: consente un elevato guadagno in corrente iniettando la maggior parte dei portatori di carica nella giunzione base-emettitore.
La principale differenza tra un BJT di tipo NPN e uno di tipo PNP è la direzione del flusso di corrente: dalla base all’emettitore per un NPN e dall’emettitore alla base per un PNP. Poiché un BJT richiede una tensione di polarizzazione per funzionare, il dispositivo è tecnicamente un generatore di corrente pilotato in tensione (come i MOSFET). Tuttavia, è spesso considerato come un di generatore di corrente controllato in corrente a causa della bassa impedenza del terminale di base.
A seconda della direzione della tensione di polarizzazione e della relativa tensione sui terminali, esistono quattro modalità operative:
- Attiva Diretta: modalità di amplificazione standard in cui la giunzione BE è polarizzata direttamente e la giunzione BC è polarizzata inversamente. Quasi tutti i transitori a giunzione bipolare forniscono il massimo guadagno in corrente in questa modalità.
- Attiva Inversa: una modalità usata raramente, in cui la giunzione BE è polarizzata inversamente e la giunzione BC è polarizzata direttamente. L’amplificazione è molto meno efficace rispetto alla modalità attiva diretta.
- Saturazione: una polarizzazione diretta su entrambe le giunzioni BE e BC che implementa un interruttore chiuso, con il transistore impostato su uno stato logico alto.
- Interdizione: una polarizzazione inversa su entrambe le giunzioni BE e BC che implementa un interruttore aperto, con il transistore impostato su uno stato logico basso.
Guadagni e configurazioni
Poiché un BJT può essere utilizzato in diverse configurazioni, diversi parametri possono essere usati per misurarne le prestazioni. L’efficienza di un transistore deriva dall’irregolarità delle sue regioni drogate. In un transistore di tipo NPN, l’emettitore di tipo n può fornire più elettroni di quanto la base di tipo p possa fornire lacune. Questa costruzione impedisce una perdita di corrente dovuta alla ricombinazione, e la maggiore mobilità degli elettroni migliora la velocità di diffusione dalla base al collettore. I guadagni sono:
- α (alfa) – Rappresenta il guadagno in base comune o il rapporto tra emettitore e collettore nella modalità attiva diretta. Idealmente è 1, ma praticamente il valore tende a 1 da sinistra a causa della ricombinazione tra elettroni e lacune.
- β (beta) – Rappresenta il guadagno in emettitore comune o il rapporto tra collettore e base nella modalità attiva diretta. Tipicamente è circa 50, ma questo valore può essere inferiore nelle applicazioni ad alta potenza.
Le configurazioni più comuni per un circuito a transistori sono:
- Base comune – I/O sull’emettitore e sul collettore (rispettivamente), mentre la base è a massa. La separazione tra il collettore e l’emettitore riduce il feedback in uscita e migliora la stabilità del segnale. Può essere utilizzato come amplificatore di tensione o inseguitore di corrente e in genere vede un maggiore utilizzo nelle applicazioni ad alta frequenza, poiché la banda dei segnali di ingresso rimane costante.
- Collettore comune – I/O sulla base e sull’emettitore (rispettivamente), con il collettore collegato a terra. Viene spesso utilizzato come inseguitore di tensione, poiché l’elevata impedenza di ingresso e la bassa impedenza di uscita consentono al transistore di moltiplicare le correnti e pilotare carichi elettrici maggiori rispetto all’ingresso.
- Emettitore comune – I/O sulla base e sul collettore (rispettivamente) con l’emettitore collegato a terra. Dal punto di vista applicativo è simile a un collettore comune, ma con un guadagno di corrente più elevato ed un’impedenza di ingresso inferiore. La larghezza di banda risente della capacità parassita che si forma tra la base e il collettore, ma questa può essere in qualche modo alleviata con un aumento dell’impedenza di ingresso (a scapito del guadagno), riducendo l’impedenza di uscita, o con l’amplificazione differenziale.
Questi stadi a transistore singolo rappresentano gli elementi costitutivi di reti di transitori più grandi e possono essere modificati e combinati per migliorare le prestazioni o creare un’amplificazione multistadio.
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Il transistore a giunzione bipolare è stato ampiamente soppiantato dalla tecnologia CMOS, ma ci sono aree in cui è ancora impiegato. Il BJT offre due netti vantaggi rispetto alla tecnologia CMOS, con un’elevata impedenza di uscita e una grande transconduttanza (corrente di uscita rispetto alla tensione di ingresso) dovuta all’elevato guadagno in corrente presente in molte configurazioni. L’uso prevalente di transitori a giunzione bipolare e dei suoi sottotipi è nella commutazione di segnali ad alta velocità in intervalli di frequenza ultra/altissima e oltre.
Nonostante il progresso della tecnologia, il transistore a giunzione bipolare ha ancora rilevanza oggi e continuerà a farlo con le alte frequenze dei moderni protocolli di comunicazione.
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