Il transistor

1. Il transistor

2. dispositivo a semiconduttore con almeno 3 elettrodi che sfrutta le proprietà della giunzione p-n. • inventato da Bardeen, Brattain and Shockley, ai Bell Laboratories, nel 1948 Premio Nobel nel 1956 • strutture diverse per diverse applicazioni • estrema miniaturizzazione  sviluppo di nuove applicazioni (memorie ad alta densità, computer veloci, computer sempre + piccoli • può essere schematizzato come un regolatore o generatore di corrente o di tensione • può svolgere sia la funzione di switch (commutatore o interruttore) che quella di amplificatore • esistono strutture diverse elaborate per diverse applicazioni • si possono individuare 2 grandi categorie di transistor in base al verso di scorrimento della corrente rispetto alla giunzione: • transistor bipolari a giunzione (BJT) – correnteperpendicolarealla giunzione • transistor ad effetto di campo (JFET o MOSFET) – correnteparallelaalla giunzione

3. emettitore (drogaggio elevato) collettore (drogaggio intermedio) base (drogaggio basso) spessore stretto p p n n n p Transistor Bipolare a giunzione (BJT) due diverse configurazioni: pnp oppure npn base = elettrodo di controllo (switch) piccola variazione della corrente di base  rapido cambiamento nell’apparato

4. C C IC IB IC B B IB IE IE E E npn pnp Il verso della corrente (convenzionalmente la direzione dei portatori di carica positivi) è indicato dalla freccia nel terminale dell’emettitore. Simboli convenzionali per i BJT

5. C E B EB BC + - + - + - + - - + - + - + - + p n n EB BC EB BC due giunzioni p-n che condividono uno strato di semiconduttore intermedio drogato due diodi contrapposti: emettitore- base base - collettore in assenza di polarizzazione esterna campo elettrico potenziale elettrico distribuzione della carica elettrica

6. Caratteristiche di uscita del transistor • descrivono la dipendenza della corrente di collettore dalla differenza di potenziale • tra collettore ed emettitore VCE • famiglia di curve corrispondenti a diversi valori della IB • 3 regioni distinte: • zona attiva • zona di saturazione • c)zona di interdizione

7. zona attiva: rette quasi orizzontali. IB e IC approx proporzionali. • BJT utilizzato come amplificatore • b) zona di interdizione: IC=0. VBE<< Vg diodo BE polarizzato invers. • ATTENZIONE: diodo BC inverso. • c) zona di saturazione: IC << b IB; in questa zona VCE ~ 0÷0.2 V e le giunzioni sono • entrambe polarizzate direttamente • Se diodo BC diretto c’è uno scambio dei ruoli tra E e C  • d)zona attiva inversa  IE = bRIB dove bR << b definito per il transistor in zona • attiva diretta polarizzazione delle due giunzioni: Base – Emettitore Base - Collettore BE inversa BC inversa cutoff BE diretta BC inversa attiva diretta BE BE inversa BC diretta attiva inversa BE diretta BC diretta saturazione BC

8. RIASSUMENDO: un transistor può essere adoperato • come elemento di un circuito logico • facendolo lavorare nello stato di • saturazione (VCE = 0) o di interdizione. • come amplificatore in 3 diverse configurazioni: • a emettitore comune amplificatore di • tensione (invertente) con buon guadagno anche in I • a base comune amplificatore • di tensione (non invertente) con basso • guadagno in I • a collettore comune elevato guadagno • in corrente ma nessun guadagno in • tensione

10. Analogia idraulica per il transistor

11. Transistor ad effetto di campo Junction Field Effect Transistor (JFET) Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)

12. Dispositivi a semiconduttore a 3 terminali di facile fabbricazione e meno ingombranti dei BJT • densità di componenti > 100000 MOSFET/chip • possono svolgere la funzione di resistenza o condensatore (collegamento opportuno) • si possono progettare sistemi elettronici interamente composti da MOSFET • utilizzo nei VLSI • si può interpretare il FET come uno switch elettronico che può trovarsi in uno stato on oppure off • sotto questo aspetto il FET corrisponde ad un singolo bit, cioè ad una unità binaria di informazione

13. impiego di un campo elettrico per controllare la corrente che scorre nel dispositivo • cristallo di semiconduttore drogato p o n (canale o body) • la corrente - dovuta solo ai portatori maggioritari - scorre tra due terminali: sorgente (source) e pozzo (drain) • sul terzo elettrodo (gate) viene applicato un campo elettrico (potenziale) che modifica la conducibilità del canale e quindi la corrente

14. n+ canale p Source Drain n+ Gate p+ canale n Source Drain p+ Gate Junction Field Effect Transistor (JFET) barretta di SC a debole drogaggio n - impianto di due zone fortemente drogate p+ elettrodi metallici : Gate = elettrodo di controllo Source tra questi due elettrodi scorre la corrente (parallela alla giunzione) Drain modulata da un opportuno potenziale sul gate. NB : Esiste anche il JFET a canale p con l’impianto di due zone a drogaggio n+

15. luogo dei punti di pinchoff VGS=0 VDS VGS=0 G VP S D VDS VGS=0 G S D E’ possibile ottenere lo stesso effetto di strozzamento del canale anche se VGS =0 Aumentando VDS la ddp tra gate e canale aumenta in modo asimmetrico, con un valore maggiore verso il D  zona di svuotamento deformata. Continuando ad aumentare VDS si raggiunge lo strozzamento. Il punto P si trova ad un potenziale tale per cui VGP = VP = tensione di pinchoff. Poiché VGS =0, VSP = VGP = VP, mentre VDP 0 quindi VDS = |VP| |VP| si può definire come il valore minimo di VDS che, per VGS =0, causa il pinchoff. Per VDS>|VP|, IDS rimane costante (=IDSS= corrente di saturazione). Se VGS ≠ 0,il pinchoff si verifica per valori di VDS inferiori.

16. Aumentando VDS si osserva che la ddp tra il punto P e il source rimane uguale a VP mentre si origina una ddp tra drain e P pari a VDS-|VP|, grazie alla quale gli elettroni che raggiungono il punto P proseguono verso il drain. La ddp per cui inizia la saturazione è data da V’DS VGS -VP In questa relazione troviamo i comportamenti che abbiamo descritto finora: per VGS = VP  V’DS = 0 che produce IDS = 0 qualunque sia VDS per VGS = 0  V’DS = VP Anche il JFET (come il BJT) può essere usato come amplificatore nella zona di saturazione. Si controlla una corrente con un segnale di tensione (nel BJT si controlla una corrente con un’altra corrente più piccola).

17. Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor (MOSFET) • Il MOSFET è un dispositivo a effetto di campo che utilizza un elettrodo metallico separato da un canale di semiconduttore tramite uno strato di ossido (isolante) (struttura metallo-ossido-semiconduttore) • Applicando una ddp tra gate e substrato del semiconduttore (body), attraverso lo strato di ossido, si controllano le caratteristiche del canale. • Esistono 2 tipi di MOSFET • ad arricchimento • a svuotamento

18. MOSFET a canale n ad arricchimento (n channel enhancement – NMOS) 2 regioni n+ in un substrato di tipo p superficie superiore ricoperta di Ossido di Silicio, a parte 2 contatti metallici (Al) per le zone n+ (Source e Drain). Il Gate si trova sullo strato di Ossido, sulla zona inferiore c’e’un quarto elettrodo di Substrato. Normalmente S e Substrato sono tenuti insieme. Il G è ad un potenziale positivo rispetto a S, come pure il D. In assenza di potenziali esterni alcuni elettroni migrano dalle zone n+ verso p. Applichiamo VG > VS(=Vsub)  gli elettroni vengono attirati nella zona tra D e S creando un canale di conduzione. Applicando una VDS si avrà una corrente IDS da D a S. Tutto ciò avviene se VGS ≥ Vt (tensione di soglia). Il comportamento del MOSFET per VDS piccola è analogo a quello del JFET in zona ohmica.

19. IDS, mA VGS= 6 V 400 300 200 100 0 VGS= 5.5 V VGS= 5 V VGS= 4.5 V G (metallo) VGS= 4 V S D 0 1 2 3 4 5 VDS,V p p S D(+) substrato n B G (+) - - - - - - - n n - - - - - - - - substrato p Aumentare il valore di VDS equivale a diminuire la ddp tra D e G in prossimità del D  il canale si deforma e si restringe vicino al D. Quando VDS è tale per cui VDG<Vt (VDG = VGS –VDS≤ Vt) si ha una situazione di pinchoff analoga a quella vista nel JFET. IDS diventa indipendente da VDS zona di saturazione del MOSFET AumentandoulteriormenteVDS si raggiunge la zona di breakdown (10÷ 100 V). • zona ohmica (VDS ≤VGS-Vt): • IDS = Kp [2(VGS-Vt)VDS –V2DS] • 2.zona di saturazione (VDS≥ VGS-Vt): • IDS = Kp (VGS-Vt)2 • per VGS=0, IDS= Kp Vt2 = IDSS= • corrente di saturazione (≈ nA) Esiste il MOSFET a canale p ad arricchimento nel quale tutti i segni e le polarizzazioni sono invertiti, ma ha un funzionamento del tutto analogo.

20. MOSFET a canale n a svuotamento E’ identico al transistor NMOS appena visto, ma esiste già un canale n di conduzione tra le regioni n+. Quindi anche in assenza di tensione sul G ci sarà conduzione. • Se il G ha un potenziale negativo rispetto • al S ( e al substrato, che sono collegati) • gli elettroni nella zona n vengono respinti •  si formerà una zona di svuotamento • e quindi si avrà un restringimento del canale • modo di svuotamento • Se G ha un potenziale positivo, altri elettroni • saranno attratti verso lo strato di ossido e si • avrà un allargamento del canale ed un aumento • della conduttanza modo di arricchimento

21. Supponiamo di operare in modo di svuotamento (VG < 0) Aumentando VDS si incontrerà una prima zona ohmica, seguita anche in questo caso da una zona di saturazione dovuta allo stesso effetto di strozzamento già visto in precedenza. Vp è il valore minimo di VDSche causa la saturazione quando VGS=0 ( ed è il valore di VGS che causa il pinchoff quando VDS=0). La curva caratteristica di questo MOSFET è: • Saturazione: VDS tale per cui • VGD = VGS –VDS = VP cioè VDS = VGS-VP • zona ohmica (0 <VDS ≤VGS-Vp): • IDS = Kp [2(VGS-Vp)VDS –V2DS] • 2.zona di saturazione (VDS≥ VGS-Vp): • IDS = Kp (VGS-Vp)2 NMOS PMOS