Il transistore è un dispositivo elettronico caratterizzato da:
- almeno tre terminali, uno dei quali individua il terminale comune tra la porta[1] di ingresso e la porta di uscita;
- una corrente di uscita
che dipende, oltre che dalla tensione di uscita
, anche dal segnale di ingresso:
- transistore bipolare: (analogico) la caratteristica di uscita
è controllata in corrente
;
- transistore a effetto di campo (FET): (digitale) la caratteristica di uscita
è controllata in tensione
.
I transistori trovano applicazione nei generatori pilotati, negli amplificatori, nei circuiti digitali... Per le leggi di Kirchhoff:

Il transistore bipolare a giunzione è un dispositivo caratterizzato da tre terminali detti emettitore, base e collettore, che corrispondono alle tre regioni ottenute unendo due giunzioni pn in antiserie.
Regioni di funzionamento[modifica]
A seconda della polarizzazione delle due giunzioni, si hanno quattro regioni di funzionamento:
- regione attiva diretta: giunzione BE in diretta (
), giunzione BC in inversa (
);
- regione attiva inversa: giunzione BE in inversa (
), giunzione BC in diretta (
): le prestazioni da amplificatore sono pessime perché il transistore bipolare non è ottimizzato in termini di livelli di drogaggio per lavorare in regione attiva inversa;
- regione di interdizione: giunzione BE in inversa (
), giunzione BC in inversa (
): approssima il circuito aperto (
) perché i portatori maggioritari non sono spinti dall'emettitore al collettore;
- regione di saturazione: giunzione BE in diretta (
), giunzione BC in diretta (
): approssima il cortocircuito perché la caduta di potenziale è trascurabile (
) con un forte flusso di corrente.
Le regioni attive sono usate per le applicazioni analogiche, le altre due per le applicazioni digitali.
Regione attiva diretta[modifica]
Uso come amplificatore (analogico)[modifica]
Si collegano un generatore di corrente
e una resistenza di carico
a un transistore che lavora in condizioni di piccolo segnale. Un amplificatore richiede una relazione lineare tra ingresso e uscita:

Affinché sia un amplificatore, la caratteristica di uscita
deve dipendere da
ma non da
.
Descrizione qualitativa[modifica]
Per esempio, nel transistore npn:
- la tensione di polarizzazione diretta applicata sulla giunzione np a sinistra spinge gli elettroni liberi maggioritari dal suo lato n (emettitore) alla regione p (base) in comune con la giunzione pn a destra;
- se la base è abbastanza sottile (in particolare più corta della lunghezza di diffusione), gli elettroni non fanno in tempo a ricombinarsi ed entrano nella regione svuotata della giunzione pn a destra;
- la tensione di polarizzazione inversa della giunzione pn a destra li spinge verso il suo lato n (collettore), creando una corrente di trascinamento.
In questo modo, la corrente di trascinamento generata è molto più alta di quella che si otterrebbe da una giunzione pn isolata, perché ai portatori minoritari della giunzione pn a destra si aggiungono i portatori maggioritari provenienti dalla giunzione np a sinistra; per questo motivo, la corrente di trascinamento generata è fortemente dipendente dalla tensione di polarizzazione diretta applicata alla giunzione pn il cui lato n è l'emettitore, e viceversa per il collettore → il transistore bipolare è un amplificatore perché la corrente di uscita
è indipendente dalla tensione applicata sull'uscita
.
Nonostante sia geometricamente simmetrica, la struttura del transistore bipolare non è simmetrica in quanto i livelli di drogaggio dell'emettitore e del collettore differiscono in modo che il transistore sia ottimizzato per lavorare in regione attiva diretta.
Descrizione quantitativa[modifica]
Le concentrazioni di portatori minoritari ai confini delle regioni di svuotamento seguono le leggi delle giunzioni:
- regione di svuotamento tra emettitore e base:

- regione di svuotamento tra base e collettore:

Poiché i bordi della giunzione sono dei contatti ohmici, non ci sono portatori minoritari in eccesso. Spesso l'emettitore e la base sono lati corti e il collettore è un lato lungo → gli eccessi di portatori minoritari hanno un andamento esponenziale nel collettore e lineare nella base e nell'emettitore → le correnti di diffusione, legate alle derivate degli eccessi di portatori minoritari,[2] sono costanti nella base e nell'emettitore, ed esponenziali ma molto piccole nel collettore.
Il flusso
di portatori è il numero di portatori per unità di tempo e di area che si spostano:

In totale sono presenti 5 flussi di carica:

dove:
- la corrente
deriva dal moto di portatori in corrispondenza della regione svuotata tra emettitore e base;
- la corrente
deriva dal moto di portatori in corrispondenza della regione svuotata tra base e collettore.
Il flusso
dei portatori maggioritari provenienti dall'emettitore si aggiunge ai flussi
e
di portatori minoritari che avrebbe il collettore se fosse isolato dall'emettitore, e che danno origine alla piccolissima corrente inversa di saturazione
.
Parametri di efficienza del dispositivo a transistore[modifica]
Il comportamento da amplificatore è accentuabile minimizzando la corrente di ingresso
:

cioè minimizzando il flusso di lacune maggioritarie
tra base ed emettitore con un differente livello di drogaggio tra base ed emettitore:

I fattori di merito del transistore sono due parametri che misurano la qualità del dispositivo, perché sono tanto più vicini a 1 quanto più è minimizzata la corrente di ingresso
:
- la condizione
è misurata dall'efficienza di iniezione di emettitore
:

- che per avvicinarsi all'idealità impone la seguente condizione sui livelli di drogaggio di base
ed emettitore
:[3]

- la condizione
è misurata dal fattore di trasporto di base
:

- che per avvicinarsi all'idealità impone che la base sia un lato corto:

Altri parametri descrivono l'efficienza del dispositivo:
- l'amplificazione di corrente a base comune
, idealmente pari a 1, lega la corrente
del collettore alla corrente
dell'emettitore:

- dove la corrente inversa di saturazione
è detta corrente di collettore a emettitore aperto (cioè se
);
- l'amplificazione di corrente a emettitore comune
, idealmente molto grande,[4] lega la corrente
del collettore alla corrente
della base:

- dove
è la corrente di collettore a base aperta (
):

Modello statico di Ebers Moll[modifica]
Configurazione a base comune[modifica]
Il modello statico di Ebers Moll generalizza il funzionamento in regione attiva diretta → vale in ogni regione di funzionamento indipendentemente dalla polarizzazione delle tensioni applicate:

dove:
e
sono le caratteristiche statiche delle singole giunzioni:

è l'amplificazione di corrente a base comune in regione attiva inversa, legata ad
dalla condizione di reciprocità:

Il circuito equivalente sostituisce a ogni giunzione il parallelo tra un diodo, rappresentante il flusso di corrente che la giunzione avrebbe se fosse isolata, e un generatore pilotato di corrente, rappresentante il contributo in corrente proveniente dall'altra giunzione:
- regione attiva diretta: la corrente dei portatori minoritari della giunzione base-collettore
è trascurabile:

- regione attiva inversa: la corrente dei portatori minoritari della giunzione base-emettitore
è trascurabile:

Configurazione a emettitore comune[modifica]
Il modello statico di Ebers Moll descrive un transistore in configurazione a base comune:

Nella configurazione a emettitore comune, l'ingresso è la corrente
entrante nella base, e l'uscita è la corrente
entrante nel collettore. Il terminale in comune tra ingresso e uscita è l'emettitore, a cui fanno riferimento tutte le tensioni:

In regione attiva diretta (
):
- la caratteristica di ingresso
, per ogni tensione
fissata, è indipendente dalla tensione
, e quindi
, applicata, ed è approssimabile a una "spezzata" nel punto di accensione (
per il silicio);
- la corrente di uscita
, per ogni corrente di ingresso
fissata, è indipendente dalla tensione
applicata,[5] ed è approssimabile con un "pettine" e con una resistenza finita in condizioni di saturazione.
Uso in commutazione (digitale)[modifica]
Il circuito in figura impone una retta di carico alla porta di uscita (collettore):

Il transistore bipolare può essere usato nelle applicazioni digitali commutando, attraverso la scelta della corrente di ingresso
, tra la regione di saturazione (
) e quella di interdizione (
).
Il punto di funzionamento
del transistore è l'intersezione tra la retta di carico e la caratteristica di uscita
:
- interdizione (circuito aperto):

- saturazione/conduzione (cortocircuito):

Più la corrente
è elevata, più si garantisce che la tensione
sia compresa nella regione di saturazione (
), e più è bassa la potenza dissipata
→ per massimizzare la corrente
così da minimizzare la tensione
, conviene scegliere l'estremo inferiore
della fascia di incertezza di
.
In regione attiva diretta, a un aumento della tensione
corrisponde un aumento[6] della tensione di polarizzazione inversa
→ la regione svuotata della giunzione base-collettore allarga i propri confini
e
, in particolare avvicinandosi all'emettitore dalla parte della base → aumenta il flusso di elettroni maggioritari provenienti dall'emettitore → le caratteristiche di uscita
non sono più idealmente costanti al variare della tensione di uscita
, ma convergono alla tensione di Early
con pendenza
.
Per minimizzare l'effetto Early, poiché vale la condizione di neutralità:

si può minimizzare l'estensione del confine
nella base imponendo un differente livello di drogaggio tra base e collettore:

in modo che la regione di svuotamento si estenda di più nel collettore dalla parte del confine
. In definitiva:

Fenomeni di breakdown[modifica]
L'allargamento della regione svuotata verso l'emettitore può portare al breakdown per perforazione diretta (la base "sfora" nella regione svuotata della giunzione base-emettitore) o per effetto valanga: si verifica quindi un forte aumento della tensione
e della corrente di uscita
, e quindi della potenza dissipata.
Modello dinamico di Ebers Moll[modifica]
Modello dinamico di ampio segnale[modifica]
Il modello dinamico di ampio segnale aggiunge al modello statico di Ebers Moll:
- due coppie di condensatori (non lineari) in parallelo, che tengono conto degli effetti capacitivi di ritardo associati alle singole giunzioni (ovvero la capacità di svuotamento
e la capacità di diffusione
);
- tre resistenze parassite collegate ai tre terminali, che tengono conto delle perdite in prestazioni.
Modello statico[7] di piccolo segnale[modifica]
Scomponendo, linearizzando e approssimando in piccolo segnale le caratteristiche
e
della configurazione a emettitore comune, si trovano le espressioni del doppio bipolo transistore:

dove, in regione attiva diretta:
e
sono delle conduttanze:

e
sono delle trans-conduttanze:

Le equazioni sono interpretabili circuitalmente come il circuito a π in figura, dove:

è la transconduttanza del transistore nel suo punto di funzionamento a riposo, e lega la corrente di uscita
e la tensione di ingresso
→ per avere un'amplificazione elevata, il transistore va polarizzato con una corrente di collettore
elevata. In assenza di effetto Early, le resistenze
e
che modellizzano le perdite non hanno più influenza:

Modello dinamico di piccolo segnale[modifica]
Gli effetti capacitivi che tengono conto del comportamento dinamico sono dati dai contributi della capacità di svuotamento
della giunzione base-collettore e della capacità di diffusione
della giunzione base-emettitore. Ad alta frequenza, i condensatori si approssimano al cortocircuito → impediscono al dispositivo di funzionare.
- ↑ La porta è una coppia di terminali tali che la corrente che esce da uno entra dall'altro.
- ↑ Per i portatori maggioritari si assumono le ipotesi semplificative (condizioni stazionarie e fenomeni di generazione/ricombinazione trascurabili) → il loro contributo in corrente è esprimibile in funzione di quello dei portatori minoritari.
- ↑ La base e l'emettitore sono supposti essere lati corti.
- ↑ Proprio perché
è un valore molto grande rispetto ad
da cui deriva, l'errore di
si propaga molto in
:

- ↑ Anche in regione attiva inversa la corrente di uscita è indipendente, ma essa risulta amplificata molto meno.
- ↑ in valore assoluto
- ↑ Il modello statico è approssimativamente valido, oltre che per il punto di funzionamento a riposo, anche per segnali tempo-varianti a basse frequenze, poiché si possono trascurare gli effetti capacitivi.