Tranzistorul bipolar cu jonctiune (BJT)

Tranzistorul bipolar cu jonctiune (BJT)

Scurt istoric

Primul tranzistor bipolar a fost inventat la "Bell Labs" de catre William Shockley, Walter Brattain, si John Bardeen in 1948 (de fapt, 1947, dar inventia a fost publicata doar in 1948). Pentru aceasta descoperire, cei trei au fost recompensati cu premiul Nobel pentru fizica in anul 1956.

Definitia tranzistorului

Tranzistorul bipolar cu jonctiune este un semiconductor format din trei straturi, doua de tip N si unul de tip P (NPN). Contactele celor trei straturi poarta numele de emitor si colector pentru semiconductorii de tip N, si baza pentru semiconductorul de tip P. Configuratia este asemanatoare unei diode, doar ca mai exista un strat N in plus. Stratul din mijloc insa, baza, trebuie sa fie cat mai subtire cu putinta, fara a afecta suprafetele celorlalte doua straturi, emitorul si colectorul.

Structura tranzistorului

Dispozitivul din figura alaturata este format din doua jonctiuni, una intre emitor si baza, iar cealalta intre baza si colector, aceste jonctiuni formand doua zone de golire.

Polarizarea jonctiunii baza-colector

In mod normal, jonctiunea baza-colector a tranzistorului este polarizata invers (b). Acest lucru duce la cresterea regiunii de golire. Aceasta tensiune poate fi de cativa volti pana la zeci de volti pentru majoritatea tranzistorilor. In acest caz, nu exista curent in circuitul colectorului, exceptand curentul de dispersie de o valoarea foarte mica.

Polarizarea jonctiunii emitor-baza

Putem adauga o sursa de tensiune si in circuitul emitor-baza al tranzistorului (figura alaturata). In mod normal, jonctiunea emitor-baza este polarizata direct, in incercarea de depasire a barierei de potential de aproximativ 0,6 V. Acest lucru este similar polarizarii directe a jonctiunii diodei. Tensiunea acestei surse trebuie sa depaseasca valoarea de 0,6 V pentru ca majoritatea purtatorilor de sarcina (electroni pentru NPN) sa treaca din emitor spre baza, devenind purtatori de sarcina minoritari in semiconductorul de tip P.

Daca regiunea bazei ar fi mult mai mare, ca si in cazul pozitionarii spate-in-spate a doua diode, tot curentul ce intra in baza prin emitor, ar iesi prin contactul bazei spre borna pozitiva a bateriei.

Totusi, tranzistoarele sunt confectionate cu o baza foarte subtire. O mica parte a purtatorilor de sarcina majoritari din emitor, injectati ca si purtatori de sarcina minoritari in baza, se recombina cu golurile acesteia (figura alaturata). De asemenea, o mica parte a electronilor ce intra in baza pe la emitor trec direct prin baza spre borna pozitiva a bateriei. Dar majoritatea curentului din emitor trece prin suprafata subtire a bazei direct in colector. Mai mult, modificarea curentului mic al bazei duce la modificari importante ale curentului din colector. Daca tensiunea bazei scade sub aproximativ 0.6 V, curentul emitor-colector scade la zero.

Explicatie

Sa privim insa mai indeaproape la acest mecanism de amplificare al curentului. Consideram o jonctiune NPN marita, cu accentul pus pe baza. Chiar daca nu sunt prezentate in figura, presupunem ca jonctiunea emitor-baza este polarizata direct de o sursa de tensiune, iar jonctiunea baza-colector este polarizata invers. Electronii, purtatorii de sarcina majoritari, intra in emitor de la borna negativa a bateriei. Deplasarea electronilor dinspre baza corespunde cu deplasarea acestor dinspre baza spre borna pozitiva a bateriei. Acesta este un curent foarte mic fata de curentul din emitor.

Majoritatea purtatorilor de sarcina in emitorul de tip N sunt electronii, ce devin purtatori de sarcina minoritara la intrarea in baza de tip P. Acesti electroni au patru posibilitati dupa ce intra in baza de tip P. O mica parte "cad" in goluri (figura de sus (a)), lucru ce contribuie la curentul inspre terminalul pozitiv al bateriei. Desi nu este reprezentat pe figura, golurile pot trece din baza spre emitor, unde se recombina cu electronii, contribuind si acestia la curentul bazei. O alta mica parte din electroni (b) trec direct prin baza inspre terminalul pozitiv al bateriei, ca si cum baza ar fi un rezistor. Atat (a) cat si (b) contribuie curentului foarte mic al bazei. Curentul bazei este aproximativ 1% din curentul emitor-colector, pentru tranzistoarele mici.

Majoritatea electronilor din emitor insa (c), trec direct prin zona ingusta de golire, inspre colector. Putem observa polaritatea zonei de golire ce inconjoara electronul (d). Campul electric intens "trage" electronul rapid in colector. Puterea campului electric este direct proportionala cu tensiunea de alimentare a bateriei. astfel, 99% din curentul emitorului trece in colector. Aceasta "trecere" este insa controlata de curentul bazei, ce reprezinta aproximativ 1% din curentul emitorului. Acest lucru reprezinta o amplificare de curent de 99, reprezentat de raportul dintre curentul colectorului si curentul bazei (I_C/I_B), cunoscut si ca β

Difuzia electronilor emitorului prin baza si inspre colector este posibila doar daca baza este foarte subtire. Ce s-ar intampla cu acesti purtatori de sarcina daca baza ar fi de 100 de ori mai groasa? Este foarte posibil ca majoritatea dintre ei, 99% in loc de 1%, sa cada in goluri, nemaiajungand la colector. Prin urmare, curentul de baza poate controla 99% din curentul emitorului, doar daca 99% din curentul emitorului trece inspre colector. Daca intreg curentul iese pe la baza, controlul nu este posibil.

Un alt motiv pentru care 99% dintre electroni trec din emitor, peste bariera de potential si in colector, este ca jonctiunile bipolare reale folosesc un emitor mic dopat puternic. Concentratia mare a electronilor din emitor forteaza trecerea acestora in baza. Concentratia mica a dopajului din baza inseamna ca exista mult mai putine goluri ce trec in emitor (lucru ce doar ar creste curentul bazei). Difuzia purtatorilor de sarcina dintre emitor spre baza, este puternic favorizata.

Eficienta emitorului

Faptul ca baza este subtire iar emitorul puternic dopat, tin foarte sus eficienta emitorului, 99% de exemplu. Acest lucru corespunde ramificatiei curentului emitorului de 100% in 1% baza si 99% colector. Eficienta emitorului se exprima astfel:

Jonctiunea PNP

Tranzistoarele bipolare pot fi confectionate si sub forma PNP. Diferenta dintre PNP si NPN poate fi vazuta in figura alaturata.

Diferenta consta in polaritatea jonctiunilor baza-emitor, polaritate semnalata cu ajutorul sagetii emitorului in simbolul tranzistorului. Directia sagetii este asemenea directiei anodului jonctiunii unei diode, impotriva sensului real de deplasare al electronilor. Pentru tranzistorii NPN, directia sagetii este dinspre baza spre emitor, iar in cazul tranzistorilor PNP, directia este dinspre emitor spre baza. Colectorul nu este reprezentat in niciunul dintre cazuri cu ajutorul vreunei sageti. Totusi, polaritatea jonctiunii baza-colector este aceeasi cu polaritatea jonctiunii baza-emitor in comparatie cu o dioda.

Structura

Emitorul tranzistorului bipolar cu jonctiune de mai jos este puternic dopat, dupa cum indica si notatia N⁺. Baza are un nivel de dopaj P normal, dar aceasta este mult mai subtire in realitate decat este prezentat in aceasta figura (a).

Procentul de dopaj al colectorului este scazut, dupa cum indica notatia N^-, pentru ca tensiunea de strapungere a jonctiunii colector-baza sa fie cat mai mare, ceea ce inseamna ca sursa de tensiune poate alimenta tranzistorul la tensiuni mai mari. Tranzistoarele de siliciu mici, au o tensiune de strapungere de 60-80 V, dar aceasta poate ajunge la sute de volti pentru tranzistoarele de tensiune inalta. Dar, colectorul trebuie sa fie in acelasi timp dopat puternic pentru minimizarea pierderilor ohmice (datorita rezistentelor), in cazul in care tranzistorul trebuie sa conduca curenti mari. Indeplinirea acestor cerinte contradictorii se realizeaza prin doparea mai puternica a colectorului spre partea de contact metalic, si doparea mai usoara a colectorului in apropierea bazei in comparatie cu emitorul. Tensiunea de strapungere a jonctiunii emitor-baza scade pana la aproximativ 7 V datorita doparii puternice a emitorului, in cazul tranzistorilor mici. Si tot datorita acestei dopari puternice, jonctiunea emitor-baza se comporta precum o dioda Zener polarizata invers.

Fabricarea mai multor tranzistoare pe acelasi cip da nastere unui circuit integrat, o reprezentare aproximativa a acestuia este data in figura de mai sus (c).

Observatie

Calitatea tranzistorilor discreti de tip PNP este aproape la fel de buna precum cea a tranzistorilor NPN. Totusi, tranzistorii PNP integrati nu sunt la fel de buni precum cei de tipul NPN, prin urmare, circuitele integrate folosesc tranzistori de tipul NPN in marea lor majoritate.