GIUNZIONE NPN
Per illustrare ora il funzionamento del BJT consideriamone uno di tipo npn; il discorso varrà
analogo, ma duale, per il BJT di tipo pnp. Ricordiamo che una polarizzazione diretta favorisce il
passaggio di portatori maggioritari, mentre una polarizzazione inversa favorisce quello dei
minoritari. Scegliendo le polarizzazioni come in figura, le regioni svuotate saranno rispettivamente:
quella di emettitore-base (in polarizzazione diretta) ridotta, mentre quella di base-collettore (in
polarizzazione inversa) allargata.
Per capire il funzionamento del transistor si propone ora di seguire il cammino che gli elettroni
fanno per attraversarlo dall’emettitore al collettore, attraverso la regione di base. Il discorso sarà poi
identico ma duale per le lacune (che attraverseranno il BJT dal collettore alla base). Quando il
valore della tensione di polarizzazione diretta VBE supera il valore di soglia Vγ, si ha un passaggio
di elettroni dall’emettitore alla base, ossia da una regione dove sono portatori di maggioranza in una
dove divengono portatori di minoranza, visto il drogaggio di tipo p della base. Mentre la regione di
emettitore viene usualmente drogata pesantemente in modo da fornire più elettroni possibili per la
conduzione, la regione di base è solitamente meno drogata, in modo da diminuire la possibile
ricombinazione degli elettroni che arrivano dall’emettitore con le lacune presenti in base. In effetti
minore sarà il numero di elettroni che giungeranno al collettore, più bassa sarà la corrente. La
polarizzazione inversa favorirà ora il passaggio degli elettroni, divenuti portatori minoritari, dalla
base al collettore.
La minoranza di elettroni che si ricombinano in base crea una corrente IB al terminale. Tale
corrente è dovuta a lacune che dal circuito esterno entrano in base (o dualmente da elettroni che
escono dalla base e passano al circuito esterno) per sostituire le lacune ricombinatesi con gli
elettroni provenienti dall’emettitore. La corrente IB che nasce è solo una piccola percentuale (1-2%)
della corrente di collettore IC. Ciò è essenziale per poter utilizzare il BJT come elemento
amplificatore. È ora chiaro come il termine bi-polare nell’acronimo del BJT è indice del fatto che i
portatori sono sia elettroni che lacune.
La figura 5 mostra il verso convenzionale delle correnti che sono nella direzione delle lacune.
Tenuto conto dei versi di percorrenza, quindi dei segni, la somma delle correnti dovrà essere nulla
n rispetto delle leggi di Kirchhoff, quindi
IE = IB + IC
Transistor BJT npn e pnp
Il transistor a giunzione bipolare (o più brevemente BJT=bipolar junction transistor) è largamente usato
in elettronica, sia come componente discreto sia come elemento fondamentale per la realizzazione dei circuiti
integrati. Si tratta di un componente a tre terminali, denominatibase (B), collettore (C) ed emettitore (E) .
Ci sono due tipi di BJT: il BJT npn e il BJT pnp. Essi differiscono per il simbolo elettrico (si distinguono
per la direzione della freccia sul terminale emettitore, che indica anche la direzione di passaggio della
corrente nell'emettitore) e per i versi delle tensioni e delle correnti, come mostrato in figura:
Si osservi la convenzione largamente diffusa di scrivere i nomi delle tensioni indicando a pedice come prima
lettera il terminale su cui punta la freccia della tensione: così Vbe indica una tensione positiva col + sulla
base, mentre Veb indica al contrario una tensione positiva con il + sull'emettitore.
Nel seguito, per semplicità, la trattazione verrà svolta prendendo come base il solo BJT npn (il più usato
nella pratica), indicando talvolta a parte le differenze rispetto al tipo pnp.
Trovare il terminale di emettitore
L'immagine seguente mostra invece l'aspetto di diversi tipi di transistor BJT:
Come si vede la forma assunta dai BJT è estremamente variabile e poco standardizzata.
Su alcuni componenti il terminale di emettitore è indicato per mezzo di un puntino o di una linguetta posta
sul corpo del componente:
I BJT in plastica cilindrici con un bordo smussato hanno l'emettitore sulla destra della faccia smussata:
In generale per trovare l'emettitore conviene fare riferimento ai fogli tecnici del componente (datasheet)
oppure usare un multimetro. La figura seguente mostra l'uso di un multimetro in configurazione ohm-metro
per determinare qual è il collettore e qual è l'emettitore di un BJT npn:
La misura si basa sul principio che la resistenza misurata fra collettore e base e fra emettitore e base in un
npn è infinitamente elevata (lettura OL dello strumento). Viceversa la resistenza misurata con i terminali
collegati al contrario è molto bassa.
Alcuni tester possiedono un'apposita configurazione detta "prova transistor" o "prova diodi" (diode check)
per mezzo della quale è possibile la lettura sul tester della tensione di polarizzazione diretta delle giunzioni
del BJT
Le tre zone di funzionamento di un BJT
Il BJT può lavorare in tre zone di funzionamento principali (regions of operation), dette rispettivamente:
zona di interdizione (cutoff region)
zona attiva (o lineare o di amplificazione, forward active region)
zona di saturazione (saturation region)
Nel seguito esamineremo dettagliatamente il comportamento del BJT nelle tre zone e i metodi di calcolo da
usare per determinare in quale zona sta funzionando il BJT.
Per adesso ci limitiamo ad affermare che:
in zona di interdizione il BJT non conduce corrente: le correnti di base, collettore ed emettitore (Ib,
Ic e Ie) sono tutte nulle (o comunque molto piccole);
in zona attiva il BJT si comporta come un amplificatore di corrente: la corrente di collettore Ic è
legata alla corrente di base Ib e aumenta al crescere di quest'ultima;
in zona di saturazione il BJT si comporta come un conduttore quasi ideale (un filo) collegato fra
collettore ed emettitore: in queste condizioni la tensione Vce è molto bassa (idealmente zero) e non
vale più la relazione di proporzionalità fra Ib e Ic.
BJT in zona di interdizione
Consideriamo un BJT npn. Il comportamento fra base ed emettitore è perfettamente assimilabile a quello di
un normale diodo. In effetti il BJT è internamente realizzato come un diodo fra base ed emettitore (nel caso
del BJT pnp il collegamento del "diodo" è l'opposto):
Se la giunzione BE viene polarizzata inversamente con una tensione Vbe negativa o minore della tensione di
soglia (circa 0,6-0,7 V), non c'è passaggio di corrente nel transistor. In queste condizioni si dice che il
transistor è in zona di interdizione.
Quando il BJT lavora in zona di interdizione, esso non è percorso da corrente su nessuno dei suoi terminali
(base, collettore, emettitore). In pratica è come se fosse "spento" (in stato OFF). Si noti che la zona di
interdizione dipende solo dalla tensione Vbe: è questa che comanda l'accensione o lo spegnimento dell'intero
transistor.
Si consideri a questo proposito lo schema seguente: la batteria E polarizza inversamente la giunzione base-
emettitore. Questo azzera tutte le correnti nel transistor, come evidenziano le misure dei tre amperometri. La
tensione Vcc fra collettore ed emettitore, come si può notare, non è in grado di far passare alcuna corrente
nel BJT, quando quest'ultimo è in zona di interdizione.
BJT in zona attiva oppure in zona di saturazione
Se invece la giunzione BE viene polarizzata direttamente, con una tensione positiva sulla base, il transistor
conduce e passa corrente.
Si consideri il circuito in figura:
Se la tensione della batteria E supera la tensione di soglia del transistor (circa 0,6-0,7 V), la corrente IB può
essere facilmente calcolata così:
La resistenza RB serve per limitare la corrente che entra in base e a proteggere pertanto il BJT dal rischio di
danneggiamento. La corrente di emettitore IE è uguale a IB (per la legge di Kirchhoff alle correnti), mentre
la corrente di collettore IC è zero, essendo il collettore scollegato:
IE = IB
IC = 0 A
Per esempio se E = 5 V e RB = 20 kOhm, abbiamo:
In questa situazione il BJT potrebbe trovarsi in zona attiva oppure in zona di saturazione, come vedremo
meglio nei prossimi paragrafi. In altre parole: lo studio della giunzione BE non è sufficiente per determinare
se il BJT è in zona attiva oppure in zona di saturazione. A tale scopo bisogna andare a studiare anche quello
che accade fra collettore ed emettitore.
Polarizzazione in zona attiva
Naturalmente usare un BJT come se fosse un semplice diodo non è molto utile. Le cose diventano più
interessanti se, oltre ad applicare una tensione > 0,6 V fra base ed emettitore, aggiungiamo anche una
tensione di polarizzazione fra collettore ed emettitore, come in figura:
Osserviamo che il circuito di base è lo stesso studiato nel paragrafo precedente e serve per fornire al
transistor una tensione di polarizzazione diretta sulla giunzione base-emettitore. Il generatore Vcc serve per
polarizzare invece l'altra giunzione del BJT.
Si dice che il BJT è polarizzato in zona attiva (o in zona lineare o forward active region) quando si
verificano due condizioni:
la giunzione fra base ed emettitore è polarizzata direttamente con una tensione di circa 0,6-0,7 V;
la tensione fra collettore ed emettitore è maggiore di circa 0,3 V.
Nel nostro caso il valore 5 V di Vcc va più che bene, dal momento che basta che si abbia Vce > 0,3 V circa.
ATTENZIONE: come vedremo meglio nel prossimo paragrafo, se la tensione fra collettore ed emettitore
scende al di sotto di circa 0,3-0,4 V, il BJT non lavora più in zona attiva, ma passa in zona di saturazione.
Correnti in zona attiva e beta del transistor
Osserviamo nella figura precedente i valori delle tre correnti di base, collettore ed emettitore (misurate dai
tre amperometri). In zona attiva abbiamo in generale che:
la corrente in base Ib è molto minore delle altre due correnti;
la corrente di collettore Ic è direttamente proporzionale alla corrente di base secondo la formula:
Ic = ß Ib
dove ß è un parametro fondamentale del BJT detto guadagno di corrente in continua (DC current
gain o semplicemente "beta" - spesso indicato anche come hfe sui manuali tecnici);
la corrente di emettore Ie è uguale alla somma delle altre due correnti (in base alla legge di Kirchhoff
alle correnti):
Ie = Ib + Ic
Nel circuito in figura, possiamo determinare il valore di ß dalla formula inversa
ß = Ic/Ib = 20.7mA/0.21mA = 98.6
Osserviamo che ß è un numero puro (senza unità di misura), essendo il rapporto di due correnti. Il suo
valore cambia da un BJT all'altro, ma tipicamente può variare da 50 a 200. Come suggerisce il nome per
esteso (guadagno di corrente), ß fornisce una misura di quanto la corrente di collettore è più grande della
corrente di base.
Il BJT in zona attiva si comporta in sostanza come un amplificatore di corrente. Se la corrente di base
aumenta, anche la corrente di collettore aumenta proporzionalmente.
Circuito BJT e lampadina: zona di interdizione
Consideriamo adesso il circuito mostrato in figura:
I componenti sono i seguenti:
E è un generatore di tensione continua regolabile, inizialmente spento (E = 0 V)
Rb è una resistenza da 1500 Ohm
V è un voltmetro
la lampadina è una comune lampadina da 12 V, 6 W di potenza e 24 Ohm di resistenza
Analizziamo il circuito. Essendo il generatore E spento, la tensione Vbe è zero e dunque anche la corrente di
base Ib è nulla.
Di conseguenza anche la corrente Ic è zero (essendo Ic = ß Ib) e pure Ie vale zero (infatti Ie = Ic + Ib).
Siccome non passa corrente nel collettore, non c'è corrente nella lampadina, che rimane spenta. La lampadina
si comporta in prima approssimazione come un semplice resistore. Pertanto anche la tensione sulla
lampadina è zero (non essendoci corrente) e tutta la tensione del generatore da 12 V si trova fra il collettore e
l'emettitore del BJT (vedi la lettura del voltmetro).
Come già visto, in questa condizione si dice che il BJT è in zona di interdizione ovvero, più semplicemente,
che in stato off o spento.
Circuito BJT e lampadina: zona attiva
Aumentiamo ora la tensione E portandola per esempio a 4 V. In questo modo la giunzione base ed emettitore
risulta polarizzata direttamente e si comporta praticamente come un diodo. Pertanto la corrente di base Ib
può essere calcolata con
Conoscendo Ib possiamo calcolare Ic dalla formula
Ic = ß Ib
Ipotizzando per ß nel nostro BJT un valore 100 (valore tipico per i BJT più comuni), abbiamo:
Ic = 100 x 2,27m = 227 mA
La corrente di emettitore è semplicemente la somma delle due correnti trovate prima e dunque:
Ie = Ib + Ic = 229,27 mA
Per quanto riguarda la lampadina, la tensione ai suoi capi può essere ricavata in base alla corrente che
l'attraversa (227 mA) e alla sua resistenza equivalente (24 Ohm). Abbiamo dunque:
Vlamp = 24 x 227m = 5,45 V
Come si vede la tensione è circa la metà della tensione nominale di funzionamento della lampadina (12 V) e
dunque la lampadina si illuminerà ma solo parzialmente.
Infine possiamo ricavarci la tensione Vce fra collettore ed emettitore nel BJT in base alla legge di Kirchhoff
alle tensioni:
Vce = Vcc - Vlamp = 12 - 5,45 = 6,55 V
Il BJT lavora in zona attiva e la situazione è quella mostrata in figura:
Circuito BJT e lampadina: zona di saturazione
Supponiamo ora di aumentare ulteriormente la tensione della batteria E. La corrente in base Ib aumenterà di
conseguenza, in base alla formula:
Conseguentemente aumenta anche la corrente di collettore Ic (che, come sappiamo, è legata a Ib). Ora
domandiamoci: la corrente di collettore può aumentare all'infinito nel nostro circuito?
La risposta è no, poiché all'aumentare di Ic aumenta anche la tensione sulla lampadina e, conseguentemente,
si riduce la tensione Vce fra collettore ed emettitore. Ma tale tensione non può scendere sotto 0 V, dunque la
corrente Ic massima si avrà quando la tensione Vce si annulla. In questo caso avremo:
Quando Vce si annulla (in realtà quando scende sotto circa 0,4 V), ogni ulteriore aumento della corrente di
base non fa più aumentare la corrente di collettore. Il BJT entra nella cosiddetta zona di saturazione.
In zona di saturazione la corrente di collettore è massima e la tensione Vce fra collettore ed emettitore è
minima. Consideriamo infatti la situazione mostrata in figura:
La corrente di base è data da:
Se ora proviamo a calcolare la corrente di collettore in base alla solita formula
Ic = ß Ib = 100 x 6,27mA = 627 mA
notiamo che questo valore di corrente è impossibile perché produrrebbe sulla lampadina una caduta di
tensione pari a:
Vlamp = 24 x 627m = 15 V
Tale valore di tensione è impossibile perché risulterebbe maggiore della tensione di alimentazione Vcc (che
vale 12 V) e, se si verificasse, implicherebbe una tensione Vce di valore negativo (-3V). Che cosa è successo
dunque?
E' successo che il BJT è entrato in zona di saturazione. Quando il BJT è in zona di saturazione, la sua
corrente di collettore è massima e indipendente dalla corrente di base. In tali condizioni anche aumentando la
corrente di base, la corrente di collettore non aumenta più. In zona di saturazione la tensione Vce raggiunge
il suo valore minimo (idealmente zero, in realtà circa 0,3-0,4 V).