Transistore bipolare a giunzione - regioni di funzionamento e analisi delle giunzioni (14)

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Il transistore bipolare a giunzione  è, storicamente, il primo dispositivo elettronico a semiconduttore realizzato a tre terminali e quindi costituito da tre regioni. Esistono due tipologie di modelli: npn e pnp (per via del drogaggio delle tre regioni). 
  • bipolare: i portatori di carica sono due, elettroni e lacune, rispettivamente a carica negativa e positiva;
  • giunzione:  il dispositivo è realizzato con una coppia di giunzioni pn.
I terminali di collegamento sono emettitore E, base B e collettore C. In figura 1 sono raffigurati i simboli, modelli fisici e versi di tensione e corrente.
Figura 1: simboli circuitali e modelli fisici di BJT npn (in alto) e pnp (in basso).


Valgono le seguenti relazioni:

Ogni discorso valido per il transistore npn, può rispecchiarsi nell'equivalente pnp, a patto di scambiare i versi delle tensioni.
Entrambe le tipologie di questo dispositivo sono realizzate con una coppia di giunzioni pn, dalle caratteristiche fisiche assai diverse: la regione di emettitore, rispetto a quella di collettore, subisce un drogaggio maggiore di donatori (npn) o accettori (pnp). Allora si deduce che il dispositivo NON è simmetrico.

A seconda di come siano polarizzate le due giunzioni, BE e BC, si identificano quattro regioni di funzionamento:
  1. interdizione: VBE < 0 e VBC < 0 il transistore è spento e non conduce corrente;
  2. attiva diretta (normale): VBE > 0 e VBC < 0 il transistore lavora come amplificatore in molti circuiti analogici;
  3. attiva inversa: VBE < 0 e VBC > 0;
  4. saturazione: VBE > 0 e VBC > 0 il transistore funge da interruttore chiuso in applicazioni digitali e di potenza.
Il transistore npn (pnp) può essere visto come una coppia di diodi collegati l'anoto (catodo) del primo all'anodo (catodo) del secondo (mostrato in figura 2).
Figura 2: analogia tra bjt modello npn e coppia di diodi.

Funzionamento in regione attiva diretta
Se si ipotizza il funzionamento in regione attiva diretta, risulta che la giunzione BE è polarizzata direttamente (diodo in conduzione), mentre la giunzione BC è polarizzata inversamente (diodo spento). Conoscendo le equazioni basilari che regolano tensioni e correnti nel circuito e la fisica dei diodi, si può dire che la corrente IC è circa nulla e dunque IE ≈ IB. 
Definendo con WB la larghezza della regione di base, è possibile affermare che se WB è relativamente grande (figura 3 basso), allora vale il risultato appena espresso; in caso contrario se WB è relativamente piccola, allora può affermarsi che IE ≈ IC (figura 3 alto).
Figura 3: dimensione della regione di base.

Sorge quindi un assurdo: il diodo che raffigura la giunzione BC, pur essendo polarizzato in inversa, conduce corrente. Tuttavia, avvicinando le due giunzioni, è possibile, se non certo, che esse inizino a interagite tra di loro.
Gli elettroni, dalla regione di emettitore, diffondono in zona p con una forte probabilità di ricombinare con le lacune. La stessa tipologia di carica mobile, minoritaria in zona p, viene comunque iniettata in regione di collettore per trascinamento (figura 4). 
Figura 4: concentrazione di elettroni in regione normale.

Come precedentemente definito, infatti, con una notevole riduzione della dimensione della regione di base, è possibile che la quantità di elettroni che ricombinano in base è minore del caso antecedente, dunque vi è una corrente di trascinamento di minoritari da base a collettore di intensità maggiore per la presenza di elettroni che sono stati iniettati dalla regione di emettitore (figura 5).
Figura 5: confronto della concentrazione di elettroni con diversa larghezza della regione di base.

Si verifica dunque un importante fenomento definito effetto transistore: una giunzione polarizzata in inversa riesce a condurre corrente per la presenza di una giunzione polarizzata in diretta che assiste alla conduzione.
Anche il drogaggio della regione di emettitore contribuisce a mantenere vivo questo fenomeno: ND,E > ND,C.
In definitiva (figura 6), accade che IE = In,diff + Ip,diff (prevalentemente diffusiva) e IB = Ip,diff + IRic(WB). Per fare in modo che la corrente di ricombinazione in base sia piccola, quasi trascurabile, occorre agire, come già detto, sulla dimensione della regione di base, ma anche fare in modo che il numero di accettori in base sia molto minore del numero di donatori in emettitore, ND,E > NA,B.
Figura 6: correnti in regione normale.

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