07. Tranzistorul bipolar cu joncţiune (BJT)

Acasă » Electronică analogică » 02 - Fizica dispozitivelor semiconductoare

Scurt istoric

Primul tranzistor bipolar a fost inventat la „Bell Labs” de către William Shockley, Walter Brattain, şi John Bardeen în 1948 (de fapt, 1947, dar invenţia a fost publicată doar în 1948). Pentru această descoperire, cei trei au fost recompensaţi cu premiul Nobel pentru fizică în anul 1956.

Definiţia tranzistorului

Tranzistorul bipolar cu joncţiune este un semiconductor format din trei straturi, două de tip N şi unul de tip P (NPN). Contactele celor trei straturi poartă numele de emitor şi colector pentru semiconductorii de tip N, şi bază pentru semiconductorul de tip P. Configuraţia este asemănătoare unei diode, doar că mai există un strat N în plus. Stratul din mijloc însă, baza, trebuie să fie cât mai subţire cu putinţă, fără a afecta suprafeţele celorlalte două straturi, emitorul şi colectorul.

Structura tranzistorului

Dispozitivul din figura alăturată este format din două joncţiuni, una între emitor şi bază, iar cealaltă între bază şi colector, aceste joncţiuni formând două zone de golire.

Polarizarea joncţiunii bază-colector

În mod normal, joncţiunea bază-colector a tranzistorului este polarizată invers (b). Acest lucru duce la creşterea regiunii de golire. Această tensiune poate fi de câţiva volţi până la zeci de volţi pentru majoritatea tranzistorilor. În acest caz, nu există curent în circuitul colectorului, exceptând curentul de dispersie de o valoarea foarte mică.

Polarizarea joncţiunii emitor-bază

Putem adăuga o sursă de tensiune şi în circuitul emitor-bază al tranzistorului (figura alăturată). În mod normal, joncţiunea emitor-bază este polarizată direct, în încercarea de depăşire a barierei de potenţial de aproximativ 0,6 V. Acest lucru este similar polarizării directe a joncţiunii diodei. Tensiunea acestei surse trebuie să depăşească valoarea de 0,6 V pentru ca majoritatea purtătorilor de sarcină (electroni pentru NPN) să treacă din emitor spre bază, devenind purtători de sarcină minoritari în semiconductorul de tip P.

Dacă regiunea bazei ar fi mult mai mare, ca şi în cazul poziţionării spate-în-spate a două diode, tot curentul ce intră în bază prin emitor, ar ieşi prin contactul bazei spre borna pozitivă a bateriei.

Totuşi, tranzistoarele sunt confecţionate cu o bază foarte subţire. O mică parte a purtătorilor de sarcină majoritari din emitor, injectaţi ca şi purtători de sarcină minoritari în bază, se recombină cu golurile acesteia (figura alăturată). De asemenea, o mică parte a electronilor ce intră în bază pe la emitor trec direct prin bază spre borna pozitivă a bateriei. Dar majoritatea curentului din emitor trece prin suprafaţă subţire a bazei direct în colector. Mai mult, modificarea curentului mic al bazei duce la modificări importante ale curentului din colector. Dacă tensiunea bazei scade sub aproximativ 0.6 V, curentul emitor-colector scade la zero.

Explicaţie

Să privim însă mai îndeaproape la acest mecanism de amplificare al curentului. Considerăm o joncţiune NPN mărită, cu accentul pus pe bază. Chiar dacă nu sunt prezentate în figură, presupunem că joncţiunea emitor-bază este polarizată direct de o sursă de tensiune, iar joncţiunea bază-colector este polarizată invers. Electronii, purtătorii de sarcină majoritari, intră în emitor de la borna negativă a bateriei. Deplasarea electronilor dinspre bază corespunde cu deplasarea acestor dinspre bază spre borna pozitivă a bateriei. Acesta este un curent foarte mic faţă de curentul din emitor.

Majoritatea purtătorilor de sarcină în emitorul de tip N sunt electronii, ce devin purtători de sarcină minoritară la intrarea în baza de tip P. Aceşti electroni au patru posibilităţi după ce intră în baza de tip P. O mică parte „cad” în goluri (figura de sus (a)), lucru ce contribuie la curentul înspre terminalul pozitiv al bateriei. Deşi nu este reprezentat pe figură, golurile pot trece din bază spre emitor, unde se recombină cu electronii, contribuind şi aceştia la curentul bazei. O altă mică parte din electroni (b) trec direct prin bază înspre terminalul pozitiv al bateriei, ca şi cum baza ar fi un rezistor. Atât (a) cât şi (b) contribuie curentului foarte mic al bazei. Curentul bazei este aproximativ 1% din curentul emitor-colector, pentru tranzistoarele mici.

Majoritatea electronilor din emitor însă (c), trec direct prin zona îngustă de golire, înspre colector. Putem observa polaritatea zonei de golire ce înconjoară electronul (d). Câmpul electric intens „trage” electronul rapid în colector. Puterea câmpului electric este direct proporţională cu tensiunea de alimentare a bateriei. astfel, 99% din curentul emitorului trece în colector. Această „trecere” este însă controlată de curentul bazei, ce reprezintă aproximativ 1% din curentul emitorului. Acest lucru reprezintă o amplificare de curent de 99, reprezentat de raportul dintre curentul colectorului şi curentul bazei (I_C/I_B), cunoscut şi ca β.

Difuzia electronilor emitorului prin bază şi înspre colector este posibilă doar dacă baza este foarte subţire. Ce s-ar întâmpla cu aceşti purtători de sarcină dacă baza ar fi de 100 de ori mai groasă? Este foarte posibil ca majoritatea dintre ei, 99% în loc de 1%, să cadă în goluri, nemaiajungând la colector. Prin urmare, curentul de bază poate controla 99% din curentul emitorului, doar dacă 99% din curentul emitorului trece înspre colector. Dacă întreg curentul iese pe la bază, controlul nu este posibil.

Un alt motiv pentru care 99% dintre electroni trec din emitor, peste bariera de potenţial şi în colector, este că joncţiunile bipolare reale folosesc un emitor mic dopat puternic. Concentraţia mare a electronilor din emitor forţează trecerea acestora în bază. Concentraţia mică a dopajului din bază înseamnă că există mult mai puţine goluri ce trec în emitor (lucru ce doar ar creşte curentul bazei). Difuzia purtătorilor de sarcină dintre emitor spre bază, este puternic favorizată.

Eficienţa emitorului

Faptul că baza este subţire iar emitorul puternic dopat, ţin foarte sus eficienţa emitorului, 99% de exemplu. Acest lucru corespunde ramificaţiei curentului emitorului de 100% în 1% bază şi 99% colector. Eficienţă emitorului se exprimă astfel:

Joncţiunea PNP

Tranzistoarele bipolare pot fi confecţionate şi sub forma PNP. Diferenţa dintre PNP şi NPN poate fi văzută în figura alăturată.

Diferenţa constă în polaritatea joncţiunilor bază-emitor, polaritate semnalată cu ajutorul săgeţii emitorului în simbolul tranzistorului. Direcţia săgeţii este asemenea direcţiei anodului joncţiunii unei diode, împotriva sensului real de deplasare al electronilor. Pentru tranzistorii NPN, direcţia săgeţii este dinspre bază spre emitor, iar în cazul tranzistorilor PNP, direcţia este dinspre emitor spre bază. Colectorul nu este reprezentat în niciunul dintre cazuri cu ajutorul vreunei săgeţi. Totuşi, polaritatea joncţiunii bază-colector este aceeaşi cu polaritatea joncţiunii bază-emitor în comparaţie cu o diodă.

Structura

Emitorul tranzistorului bipolar cu joncţiune de mai jos este puternic dopat, după cum indică şi notaţia N⁺. Baza are un nivel de dopaj P normal, dar aceasta este mult mai subţire în realitate decât este prezentat în această figură (a).

Procentul de dopaj al colectorului este scăzut, după cum indică notaţia N^-, pentru ca tensiunea de străpungere a joncţiunii colector-bază să fie cât mai mare, ceea ce înseamnă că sursa de tensiune poate alimenta tranzistorul la tensiuni mai mari. Tranzistoarele de siliciu mici, au o tensiune de străpungere de 60-80 V, dar aceasta poate ajunge la sute de volţi pentru tranzistoarele de tensiune înaltă. Dar, colectorul trebuie să fie în acelaşi timp dopat puternic pentru minimizarea pierderilor ohmice (datorită rezistenţelor), în cazul în care tranzistorul trebuie să conducă curenţi mari. Îndeplinirea acestor cerinţe contradictorii se realizează prin doparea mai puternică a colectorului spre partea de contact metalic, şi doparea mai uşoară a colectorului în apropierea bazei în comparaţie cu emitorul. Tensiunea de străpungere a joncţiunii emitor-bază scade până la aproximativ 7 V datorită dopării puternice a emitorului, în cazul tranzistorilor mici. Şi tot datorită acestei dopări puternice, joncţiunea emitor-bază se comportă precum o diodă Zener polarizată invers.

Fabricarea mai multor tranzistoare pe acelaşi cip dă naştere unui circuit integrat, o reprezentare aproximativă a acestuia este dată în figura de mai sus (c).

Observaţie

Calitatea tranzistorilor discreţi de tip PNP este aproape la fel de bună precum cea a tranzistorilor NPN. Totuşi, tranzistorii PNP integraţi nu sunt la fel de buni precum cei de tipul NPN, prin urmare, circuitele integrate folosesc tranzistori de tipul NPN în marea lor majoritate.