Elettronica di potenza - BJT

Un transistor a giunzione bipolare (BJT) è un transistor il cui funzionamento dipende dal contatto realizzato da due semiconduttori. Può fungere da interruttore, amplificatore o oscillatore. È noto come transistor bipolare poiché il suo funzionamento richiede due tipi di portatori di carica (buchi ed elettroni). I fori costituiscono i portatori di carica dominanti nei semiconduttori di tipo P mentre gli elettroni sono i principali portatori di carica nei semiconduttori di tipo N.

Simboli di un BJT

Struttura di un BJT

Un BJT ha due giunzioni PN collegate schiena contro schiena e che condividono una regione comune B (base). Ciò garantisce che i contatti siano effettuati in tutte le regioni che sono base, collettore ed emettitore. Di seguito è mostrata la struttura di un transistor bipolare PNP.

Il BJT mostrato sopra è costituito da due diodi collegati schiena contro schiena, con conseguente esaurimento delle regioni chiamate quasi neutre. Le larghezze quasi neutre dell'emettitore, della base e del collettore sono indicate sopra come W E ', W B ' e W C '. Si ottengono come segue:

$$ W_ {E} ^ {'} = W_ {E} -X_ {n, BE} $$ $$ W_ {B} ^ {'} = W_ {B} -X_ {p, BE} -X_ {p , BC} $$ $$ W_ {C} ^ {'} = W_ {C} -X_ {n, BC} $$

I segni convenzionali delle correnti per l'emettitore, base e collettore sono indicati con I E , I B e che C rispettivamente. Pertanto, il collettore e la corrente di base sono positivi quando una corrente positiva incontra il collettore o il contatto di base. Inoltre, la corrente dell'emettitore è positiva quando la corrente lascia il contatto dell'emettitore. Quindi,

$$ I_ {E} = I_ {B} + I_ {C} $$

Quando viene applicata una tensione positiva al contatto di base rispetto al collettore e all'emettitore, la tensione di base-collettore e la tensione di base-emettitore diventano positive.

Per semplicità, si presume che V CE sia zero.

La diffusione degli elettroni si verifica dall'emettitore alla base mentre la diffusione dei fori ha origine dalla base all'emettitore. Una volta che gli elettroni raggiungono la regione esaurita del collettore di base, vengono trascinati attraverso la regione da un campo elettrico. Questi elettroni formano la corrente del collettore.

Quando un BJT è polarizzato nella modalità attiva diretta, la corrente di emettitore totale si ottiene aggiungendo la corrente di diffusione dell'elettrone ( I E, n ), la corrente di diffusione del foro ( I E, p ) e la corrente di baseemitter.

$$ I_ {E} = I_ {E, n} + I_ {E, p} + I_ {r, d} $$

La corrente totale del collettore è data dalla corrente di diffusione degli elettroni ( I E, n ), meno la corrente di ricombinazione di base ( I r, B ).

$$ I_ {C} = I_ {E, n} -I_ {r, B} $$

La somma della corrente di base I B si ottiene sommando la corrente di diffusione del foro ( I E, p ), la corrente di ricombinazione di base ( I r, B ) e la corrente di ricombinazione base-emettitore dello strato di svuotamento ( I r, d ).

$$ I_ {B} = I_ {E, p} + I_ {r, B} + I_ {r, d} $$

Fattore di trasporto

Questo è dato dal rapporto tra la corrente del collettore e la corrente dell'emettitore.

$$ \ alpha = \ frac {I_ {C}} {I_ {E}} $$

Applicando l'attuale legge di Kirchhoff, si trova che la corrente di base è data dalla differenza tra la corrente di emettitore e la corrente di collettore.

Guadagno corrente

Questo è dato dal rapporto tra la corrente del collettore e la corrente di base.

$$ \ beta = \ frac {I_ {C}} {I_ {B}} = \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} $$

Quanto sopra spiega come un BJT può produrre l'amplificazione corrente. Il fattore di trasporto (α) si avvicina a uno se la corrente del collettore è quasi equivalente alla corrente dell'emettitore. Il guadagno corrente (β) diventa quindi maggiore di uno.

Per ulteriori analisi, il fattore di trasporto (α) viene riscritto come prodotto dell'efficienza dell'emettitore (γ E ), il fattore di trasporto di base (α T ) e il fattore di ricombinazione dello strato di svuotamento (δ r ). È riscritto come segue:

$$ \ alpha = \ gamma _ {E} \ times \ alpha _ {T} \ times \ delta _ {r} $$

Di seguito è riportato un riepilogo dell'efficienza dell'emettitore discusso, del fattore di trasporto di base e del fattore di ricombinazione dello strato di svuotamento.

Efficienza dell'emettitore

$$ \ gamma _ {E} = \ frac {I_ {E, n}} {I_ {E, p} + I_ {E, P}} $$

Fattore di trasporto di base

$$ \ alpha _ {T} = \ frac {I_ {E, n} -I_ {r, b}} {I_ {E, n}} $$

Fattore di ricombinazione dello strato di deplezione

$$ \ delta _ {r} = \ frac {I_ {E} -I_ {r, d}} {I_ {E, n}} $$