In questo articolo vedremo cos’è la giunzione NPN e il funzionamento del transistor bjt. È un insieme di conoscenze legate alle materie fisica e chimica che ci consentirà di comprenderne in pieno il funzionamento.
Venne messo a punto nel dicembre 1947 nei laboratori americani della Bell Telephone da J.Bardeen, W.Shockley e W.H.Brattain ricercatori che per questo motivo vinsero il Premio Nobel per la Fisica nel 1953. Quindi nel 1948 ufficialmente iniziò l’era dell’elettronica che avrebbe radicalmente cambiato, nel giro di pochi decenni, la vita di miliardi di persone.
Il Transistor, l’era dell’Elettronica e l’era Informatica
L’informatica e l’elettronica contemporanea si fondano sul transistor. Se dal 1948 ha inizio l’era elettronica, possiamo dire che dalla fine degli anni 50, nel 1958 ha inizio l’era informatica. Jack Kilby, ingegnere della Texas Instruments e insignito del Premio Nobel per la Fisica nel 2000, riuscì a installare su una piastra grande come un foglio A3, 10 componenti elettronici transistor, resistori, diodi, condensatori e relativi collegamenti, realizzando così il primo circuito integrato.
Immaginate che alla fine degli anni 50 i circuiti tradizionali, transistor, etc, che facevano funzionare i primi calcolatori elettronici occupavano un’intera stanza. Con la scoperta del primo circuito integrato ha inizio l’era informatica che vide nel 1971 un nuovo e significativo passaggio. Tre ingegneri elettronici della Intel, tra cui l’italiano Federico Faggin, realizzarono il primo microchip da avviare alla produzione in serie. Si trattava di un supercircuito integrato che riuniva in un unico oggetto delle dimensioni di pochi millimetri, le funzioni di diversi chip. Nello spazio contenuto in un lamierino dalle dimensioni di 4 x 3 millimetri sono stati inseriti 2.250 transistor. Si poteva programmare per svolgere operazioni
- aritmetiche
- logiche
- controllo per un computer
- scheda di controllo per telefonia o per un elettrodomestico
La Rivoluzione digitale
Oggi rispetto agli anni 50, data in cui è iniziata la produzione in serie dei transistor, abbiamo i microprocessori. I microchip che troviamo in ogni dispositivo elettronico, grazie alla miniaturizzazione, raggruppano milioni di transistor in pochi millimetri cubi. Anzi per essere precisi:
- Processori CPU Intel Pentium 4, anno 1999 racchiudeva circa 42 milioni di transistor con processo produttivo delle dimensioni di 0.18 micron
- CPU Intel anno 2007 racchiudono circa 1 miliardo di transistor con processo produttivo delle dimensioni di 0.045 micron
- Intel CPU anno 2020 racchiudono circa 10 miliardi di transistor con processo produttivo delle dimensioni di 7 nano metri
Confrontate la lista sintetica dei processori intel al link: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Intel_microprocessors
Cosa fà e come viene utilizzato un transistor
Abbiamo visto che l’invenzione del transistor ha rivoluzionato il 20° secolo determinando l’ascesa delle nuove tecnologie. Gli stessi sviluppi dei microprocessori si basano ancora oggi sulla logica di funzionamento del transistor che rimane una solida base dell’elettronica moderna. Ma una domanda sorge spontanea, i tansistor come vengono utilizzati? Sostanzialmente sono due gli utilizzi:
- interruttori, dispositivi che instradano i segnali. Tutta l’lettronica digitale, le porte logiche e relative sovrastrutture hardware;
- amplificatori, dispositivi che trasformano segnali di piccola entità in segnali di maggiore ampiezza. Tutti i dispositivi di radio trasmissione, audio e video.
Giunzioni PN e drogaggio
La giunzione P-N è composta da due zone o aree:
- una definita stato n, con un numero elevato di elettroni,
- una definita strato p, con un numero elevato di cariche positive dette lacune.
Mettendo a contatto due semiconduttori con drogaggio differente, uno di tipo P e uno di tipo N si crea tra i due una zona definita di carica spaziale. Nella zona di carica spaziale i due semiconduttori di tipo P e di tipo N diffondono cariche nel semiconduttore adiacente. Abbiamo affrontato gli aspetti chimici e fisici del drogaggio dei semiconduttori e della giunzione PN in questo articolo. Abbiamo affrontato anche il funzionamento elettrico della giunzione PN in un’altro articolo di approfondimento. Rispetto a quest’ultimo argomento vorremmo solo ribadire i seguenti concetti che toccano gli aspetti elettrici di una giunzione PN:
Polarizzazione diretta
- la parte di tipo P è connessa al terminale positivo del generatore di tensione,
- la parte di tipo N è connessa al terminale negativo.
In questo modo, quando la tensione applicata è pari a quella generata dalle cariche fisse, i portatori sono liberi di muoversi e la caratteristica tensione-corrente è lineare, cioè il materiale conduce.
Polarizzazione inversa
- la regione di tipo P è collegata al terminale negativo dell’alimentazione
- e la regione di tipo N al terminale positivo.
Quando la regione di tipo P è connessa al terminale negativo dell’alimentazione, le lacune nella regione di tipo P vengono spinte lontano dalla giunzione, facendo crescere l’ampiezza della zona svuotata. Lo stesso accade nella zona di tipo N, dove gli elettroni vengono spinti lontano dalla giunzione a causa dell’azione del terminale positivo dell’alimentazione. In questo caso la giunzione si comporta in modo molto diverso perché si otterrà una corrente inversa risultante molto piccola e quindi il materiale non conduce.
Teoria elettronica dei transistor
Abbiamo visto come funzionano le giunzioni e i diodi PN, cosa può accadere se si realizzasse un “sandwich” con un blocco di materiale drogato di tipo P posizionato tra due blocchi di materiale drogato di tipo N?
Ora abbiamo un dispositivo con una giunzione “NP” e una giunzione “PN” che agisce come due diodi posizionati schiena contro schiena.
Osservazione n.1
Cosa accade se si applica una grande tensione all’intero sandwich?
- Non si genera nessun flusso di corrente.
E se invertiamo i poli della batteria di alimentazione?
- Con i diodi collegati back-to-back, la tensione applicata, indipendentemente dal suo verso o dalla polarità in cui si trova, polarizzerà sempre uno dei diodi e impedirà sempre il flusso di corrente.
Osservazione n.2
La trovata geniale dei ricercatori fu quella di aggiungere una piccola tensione di alimentazione al terminale centrale. Quindi se aggiungiamo una tensione più piccola al terminale del blocco P cosa accade? Vediamo:
- La giunzione NP superiore (nel disegno a destra), che è Polarizzata Inversamente dalla tensione della batteria principale, impedisce qualsiasi flusso di corrente.
- Si osservi che la giunzione PN inferiore (nel disegno a sinistra) alimentata con una tensione più piccola Polarizza Direttamente la giunzione e si ha un enorme numero di elettroni che attraversano questo blocco PN.
- Ciò ha l’effetto di abbassare le Regioni neutre in entrambi gli strati ottenendo un aumento esponenziale degli elettroni che adesso passano attraverso il transistor. Avremo dunque il passaggio di corrente.
Riducendo lo spessore della Base a valori sufficientemente piccoli (frazioni di μm) aumenta la probabilità che gli elettroni iniettati nella Base riescano a portarsi in prossimità della giunzione BC prima di ricombinarsi.
Dal momento che la giunzione BC è polarizzata inversamente, in prossimità della giunzione è presente un campo elettrico con verso tale da spingere gli elettroni presenti nella regione p (cariche minoritarie) ad attraversare la giunzione .
Al diminuire dello spessore della Base, una parte sempre più consistente degli elettroni iniettati nella Base viene attirata dal Collettore, dando origine ad una corrente di Collettore progressivamente crescente, mentre si riduce la corrente di Base. Questa è la descrizione del cosidetto effetto transistor.
Simulazione – Test virtuale del transistor con CircuitMod
Non potevamo non effettuare per voi dei test sul nostro simulatore di circuiti elettronici CircuitMod di cui vi segnaliamo la nostra presentazione. Abbiamo applicato una tensione di alimentazione alla Base di 0,73v un valore sufficiente per polarizzare direttamente la giunzione Emettitore Base. Così facendo una corrente di 494,82mA attraversa il transistor. La corrente che entra in ingresso nella Base del transistor è di 4,95mA circa la centesima parte della corrente che attraversa il transistor e ritroviamo in uscita. Tensioni e correnti in gioco in questa simulazione sono di tipo continuo. Immaginate lo stesso fenomeno per dei valori alternati di corrente e di tensione.
Ci sono poi le differenti configurazioni in cui il transistor viene connesso. Bisogna tener presente sempre che il fenomeno del transistor si attiva sfruttando la polarizzazione diretta della prima giunzione Emettitore Base. Vedremo che ci sono sostanzialmente tre configurazioni base:
- Circuito con Transistor BJT connesso a Base Comune
- Transistor BJT connesso con Emettitore Comune
- Circuito elettronico con Transistor BJT connesso a Collettore Comune
In queste tre configurazioni sarà sempre la prima giunzione a pilotare il transistor. Infatti nelle tre configurazioni:
- A Base Comune è l’Emettitore che pilota il transistor
- Con l’Emettitore comune è la Base a pilotare il transistor
- Col Collettore in comune è di nuovo la Base a pilotare e ad attivare il fenomeno fisico del transistor.
Il Transistor BJT
Viene definito Transistor BJT, letteralmente dall’inglese Bipolar Junction Transistor, Il “transistor con giunzione bipolare” ed è il componente elettronico più famoso del mondo. Esistono due varietà, “PNP” e “NPN”, noi ci concentreremo sulla configurazione NPN più comune. In un transistor NPN, i tre terminali sono denominati l’Emettitore (primo blocco N), la Base (blocco P) e il Collettore (secondo blocco N).
Conclusioni – La giunzione NPN e il funzionamento del transistor bjt
Abbiamo approfondito in questo articolo la giunzione NPN e il funzionamento del transistor bjt che è la base di tutta l’elettronica moderna. Abbiamo analizzato gli aspetti più importanti legati alla polarizzazione diretta e inversa. Questo articolo prosegue naturalmente con un nuovo approfondimento in cui si parla delle possibili configurazioni circuitali del transistor BJT e la sua configurazione come amplificatore. Vorremmo solo ricordare che abbiamo dedicato tutto uno studio propedeutico per questo argomento. Abbiamo dedicato degli articoli alla conoscenza del componente ellettronico Diodo di cui abbiamo parlato diffusamente nella nostra sezione dedicata al Laboratorio di Elettrotecnica e di Elettronica.