Corso di Elettronica per ragazzi – Puntata 29

Con la precedente Puntata 28 del corso di Elettronica per ragazzi abbiamo completato lo studio dei diodi trattando l’argomento sull’utilizzo del diodo come raddrizzatore. Sul diodo e sui vari tipi di diodi esistenti c’è ancora molto da dire, ma questo corso vuole essere la base teorica di partenza per consentire agli appassionati di affrontare corsi successivi che possono essere dedicati a specifici e approfonditi altri argomenti del vasto mondo dell’elettronica. In questa puntata introdurremo lo studio del transistor a giunzione bipolare (BJT: Bipolar Junction Transistor), un importante componente elettronico attivo su cui poggia l’elettronica moderna, dal mondo analogico al digitale, e descriveremo il funzionamento fisico del transistor e le sue modalità operative.

Introduzione

Fin qui, attraverso i precedenti più recenti articoli, abbiamo dedicato alcune puntate alla descrizione del diodo, di cui abbiamo anche detto che è un componente passivo. La definizione di componente attivo del transistor risiede nella sua capacità di amplificare piccole quantità di corrente fornendo in uscita un grande flusso di corrente. Ma vediamo come ciò possa avvenire attraverso la descrizione del funzionamento fisico del transistor. Prima di tutto, definiamo com’è fatto un transistor. In sostanza, il BJT è costituito dall’affiancamento di due giunzioni PN di materiale semiconduttore, similarmente a due diodi collegati contrapposti. Il BJT ha tre terminali: emettitore, base e collettore. Esistono transistor di tipo NPN e di tipo PNP. Il BJT è di tipo NPN quando l’emettitore è un semiconduttore N, la base P e il collettore N; mentre è un BJT PNP quando l’emettitore è un semiconduttore P, la base N e il collettore P, come mostrato in Figura 1, in cui sopra ai diodi è riportato il rispettivo simbolo elettrico del transistor.

Figura 1: Configurazione dei diodi rappresentanti il BJT PNP e NPN con il rispettivo simbolo

Osservando i simboli del transistor di Figura 1, il transistor PNP viene identificato dall’orientamento della freccia con la punta diretta verso il contatto della base, mentre nel simbolo del transistor NPN la punta della freccia è diretta verso l’esterno del simbolo. Un transistor può operare in tre diverse modalità, o zone di funzionamento, dipendenti dal tipo di polarizzazione delle due giunzioni.

Per funzionare in zona attiva, la giunzione base-emettitore deve essere polarizzata direttamente, mentre la giunzione base-collettore deve essere polarizzata inversamente. In questa modalità operativa il transistor funziona come amplificatore di corrente, fornendo una corrente in uscita proporzionale alla corrente di ingresso. Per portare il transistor nella zona d’interdizione, sia la giunzione base-emettitore che quella base-collettore devono essere polarizzate inversamente. In questa modalità, il transistor è nello stato inattivo, pertanto non scorre corrente tra emettitore e collettore.

Per far operare il transistor nella zona di saturazione, sia la giunzione Base-Emettitore che quella Base-Collettore devono essere polarizzate direttamente. Il transistor è nello stato di massimo flusso di corrente tra emettitore e collettore. Un transistor che opera commutando fra la zona d’interdizione e di saturazione funziona come interruttore elettronico.

Funzionamento fisico del transistor

Una rappresentazione del funzionamento fisico di un BJT NPN operante in zona attiva è illustrata in Figura 2.

Figura 2: Rappresentazione del funzionamento fisico del BJT NPN

Si premette che in questa analisi non saranno considerate le correnti dei portatori minoritari. Come detto sopra e mostrato in Figura 2, per far funzionare in zona attiva un BJT (che in questa dimostrazione è un NPN), la giunzione Base-Emettitore (BE) viene alimentata direttamente collegando il polo positivo di un generatore di tensione esterno (rappresentato da una batteria) al terminale della base e il negativo all’emettitore; mentre la giunzione Base-Collettore (BC) viene polarizzata inversamente collegando il polo positivo di un altro generatore di tensione al collettore e il negativo alla base.

Al fine di comprendere il flusso delle correnti nel BJT occorre tener presente le caratteristiche costruttive delle zone di semiconduttore: la zona di emettitore e di collettore di tipo N viene realizzata con un forte drogaggio che favorisce un’elevata densità di elettroni, la sottile base di tipo P è debolmente drogata per ottenere una scarsa densità di lacune. Si ha la situazione analoga nel transistor PNP, ma inversa dal punto di vista della densità del tipo di cariche: la zona di semiconduttore di emettitore e di collettore di tipo P ha un'altissima densità di lacune, la base di tipo N ha una debole densità di elettroni.

Il flusso delle correnti nel BJT NPN

Poiché la giunzione Base-Emettitore è polarizzata direttamente, gli elettroni liberi provenienti dall'emettitore attraversano facilmente la giunzione Base-Emettitore entrando nella sottile e debolmente drogata zona della base di tipo P, in cui sono presenti poche lacune. A causa di questa situazione, uno scarso numero di elettroni liberi provenienti dall’emettitore si ricombina con le lacune nella zona di base. Questi elettroni ricombinati con le lacune vanno ad occupare l’orbita di valenza degli atomi e quindi si possono facilmente liberare se sottoposti ad una sufficiente energia; infatti, grazie al potenziale positivo della base, si muoveranno uscendo dalla zona di base come elettroni liberi formando la corrente di base. A questa corrente di base di elettroni corrisponde una corrente di lacune iniettate dal circuito esterno per compensare il numero di lacune perse dalla base a causa della ricombinazione con gli elettroni. La corrente elettronica di base attraversa il terminale metallico, entra nel circuito esterno e infine rientra nell’emettitore insieme alla corrente di collettore.

Gli elettroni liberi “superstiti” nella zona di base, ossia quelli che non si sono ricombinati con le lacune maggioritarie della base, attraversano la giunzione base-collettore polarizzata inversamente attratti dal polo positivo del generatore di tensione collegato al collettore; quindi, vengono trascinati e raccolti nella zona del collettore da cui fuoriescono attraverso il terminale metallico del collettore formando appunto la corrente di collettore, che attraversando il circuito esterno fluisce nella zona di emettitore insieme alla corrente di base. In definitiva, la corrente di emettitore è la somma della corrente di base e di collettore: IE=IC+IB. Pertanto, la corrente di emettitore è sempre maggiore della corrente di collettore.

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