Elettronica pratica/Transistore

Transistori

Si sono visti dei resistori che cambiano la loro resistenza in risposta alla luce (fotoresistori) o alla rotazione meccanica di una manopola (potenziometri).

Un transistore può essere ritenuto come un resistore controllato elettronicamente, anche se il nome è alquanto fuorviante. Due dei terminali fungono da resistore normale (più o meno). L'altro terminale di "controllo" controlla la resistenza "vista" fra gli altri due terminali.

In un transistore FET il terminale di controllo è nominato "porta" (gli altri due terminali sono la "sorgente" e il "pozzo").

Nei transistori BJT il terminale di controllo e nominato la "base" (gli altri due terminali sono l' "emettitore" ed il "collettore").

Due quantità elettriche possono essere usate per controllare la resistenza tra i due terminali: corrente e tensione. Nei FET, la tensione nella porta controlla la resistenza tra la sorgente e il pozzo, mentre nei BJT, la corrente che entra nella base controlla la resistenza tra l'emettitore ed il collettore.

Generalità

Mentre sovente ci si rivolge ad esso come ad un amplificatore, un transistore non crea una tensione o una corrente più alta spontaneamente. Come qualsiasi altro dispositivo sottostà alle leggi di Kirchoff. La resistenza di un transistore varia dinamicamente, da qui il termine "trans"istore (di fatto il termine deriva dalla contrazione di "varistore di transconduttanza" o "varistore di trasferimento", ma ciò è una utile mnemonica per ricordare la sua funzione).

Uno dei suoi usi è nella costruzione di amplificatori di segnali (si noti che non assomiglia ad un trasformatore), ma può essere usato anche come un interruttore. I transistori furono i dispositivi della seconda generazione, ed hanno rivoluzionato il mondo dell'elettronica. Essi hanno quasi completamente soppiantato i tubi elettronici e sono molto diffusi come i resistori.

La rivoluzione dei transistori diede il via alla tecnologia dei circuiti integrati attorno agli anni 50 quando Jack Kilby della Texas Intruments realizzò il primo circuito integrato (IC) del mondo. Gli attuali transistori si trovano per lo più all'interno dei circuiti integrati. Transistori a se stanti sono usati di solito nelle applicazioni di elevata potenza o per la sua regolazione.

I BJT ed i FET sono oggigiorno entrambi popolari (tra i FET, il MOSFET che è la forma più popolare di transistore), ciascuno dei quali presenta dei vantaggi sull'altro. I BJT sono dispositivi molto veloci e di elevata capacita di corrente, mentre i FET sono dispositivi di piccole dimensioni e bassa potenza. Tentativi sono in corso per integrare entrambe le caratteristiche in un singolo chip (BiCMOS) per produrre dei circuiti integrati logici estremamente densi e veloci, che possano compiere funzioni complesse. La comprensione del funzionamento di un transistore è la chiave per la comprensione dell'elettronica.

Transistori a effetto di campo

Oggigiorno i transistori più comuni sono i FET: i transistrori ad effetto di campo. Questi transistori sono caratterizzati dall'avere la conduttanza tra la sorgente ed il pozzo che dipende dalla tensione applicata tra i terminali di porta e sorgente. La dipendenza è lineare se la tensione tra la porta ed il pozzo è elevata unitamente alla tensione tra porta e sorgente. Si trasforma in una relazione ad andamento quadratico se la tensione tra porta e pozzo non è sufficiente.

Uno dei problemi che si presentano nella progettazione dei circuiti è quello che mentre i chip diventano più piccoli gli isolanti diventano più sottili ed iniziano ad assomigliare al formaggio svizzero. Come risultato l'isolante comincia a comportarsi da conduttore. Ciò è noto come corrente di fuga. Una soluzione è quella di sostituire l'isolante con un materiale a coefficiente dielettrico più alto.

Sono disponibili due tipi: FET a funzionamento rinforzato (ad arricchimento) e FET in modalità di svuotamento. Il FET a funzionamento rinforzato è lo standard MOSFET, in cui il canale deve essere provocato applicando una tensione. I MOSFET in modalità di svuotamento hanno il canale incorporato, e la tensione che viene applicata fa sì che il canale cessi di essere conduttivo.

I transistori FET rispondono alla differenza della polarizzazione tra la porta e la sorgente.

MOSFET (transistore a semiconduttore metallo-ossido a effetto di campo//Metal Oxide Semiconductor Field-Effetct Transistor)

JFET (transistore a giunzione a effetto di campo//Junction Field Effect Transistor)

Semiconduttori metallo-ossido complementari

"CMOS" (Complementary Metal Oxide Semiconductor) non è un tipo di transistore. È una famiglia di logiche fondate sui transistori MOS.

CMOS è costituito da due FET che bloccano le tensioni positive e negative. Poiché un FET alla volta solamnete può essere funzionante, il CMOS consuma una quantità di energia trascurabile durante qualsiasi stato logico. Ma quando si verifica una transizione di stato, della energia viene consumata dal dispositivo. L'energia che viene consumata è di due tipi.

"Energia di cortocircuito": per una durata molto breve, entrambi i transistori sono funzionanti ed una corrente veramente intensa scorre nel dispositivo durante quel periodo. Questa corrente rende conto del 10% dell'energia totale consumata dal CMOS.

"Energia dinamica": questa è dovuta alla carica accumulata nella capacità parassita del nodo d'uscita del dispositivo. Questa capacità parassita dipende dalla superficie dei fili, e dalla vicinanza ad altri strati di metallo nel circuito integrato, come pure dalla permettività relativa dello strato di quarzo che separa gli strati consecutivi di metallo. Dipende pure dalla capacità d'ingresso della porta logica successiva.

Questa capacità ritarda l'innalzamento nella tensione d'uscita e pertanto l'innalzamento e la caduta nell'uscita è come quella in una rete RC (resistore-condensatore). Pertanto, l'energia dinamica consumata a causa dell'azione di commutazione in una porta è data da:

$\ P_{d}=CV_{d}^{2}f$

Transistori a giunzione bipolari

Transistori a giunzione bipolari (BJT): La corrente che passa attraverso i terminali emettirore e collettore di un BJT è controllata dalla corrente che entra nella base. Se la legge delle correnti di Kirchoff è applicata al dispositivo, le correnti che entrano nel dispositivo attraverso tutti i terminali devono assommare a zero, per cui: $\ I_{c}$ non è uguale a $\ I_{e}$.

Costruzione

Una regione leggermente drogata denominata base è frapposta tra due regioni denominate rispettivamente emettitore e collettore. Il collettore gestisce quantità elevate di corrente, dunque la sua concentrazione di drogante è la più elevata. La concentrazione di drogante dell'emettitore è leggermente minore, ma la sua superficie è più grande per provvedere ad una corrente maggiore di quella del collettore. La regione del collettore deve essere fortemente drogata perché le coppie lacuna-elettrone si ricombinano in detta regione, mentre l'emettitore non è una tale regione.Si possono avere due varietà di questo tipo di transistori.

NPN

Qui un semiconduttore di tipo-p leggermente drogato (semiconduttore con più lacune che elettroni) è frapposto a mò di sandwich fra due regioni tipo-n ben drogate. È simile a due giunzioni pn che si affacciano. Qui viene mostrato un simbolo della IEEE per il transistore npn. La freccia tra la base e l'emettitore punta nella medesima direzione della corrente che scorre tra la giunzione base-emettitore. La potenza dissipata nel transistore è $\ P=V_{ce}I_{c}$, laddove $\ V_{ce}$ è la tensione fra il collettore e l'emettitore e $\ I_{c}$ è la corrente di collettore.

PNP

Qua, ogni cosa è opposta a quella del npn. Questo transistore è più simile a due giunzioni-pn che si affacciano l'un l'altra. Qui è mostrato il suo simbolo IEEE. Nuovamente, si osservi la direzione della freccia.

Funzionamento

Le funzioni dei transistori BJT.

Altri materiali

Quasi tutti i transistori sono costruiti nei circuiti integrati su lastre estremamente pure di silicio.

Alcuni transistori che operano a velocità elevata sono costruiti di GaAs.

Alcuni circuiti integrati sono di silicio-su-zaffiro.

Poiché i transistori sono limitati dall'ammontare della potenza che sono in grado di dissipare, il diamante (che possiede una elevata conduttività termica per un tale buon isolante) potrebbe sembrare di essere una buona scelta.

Alcuni considerano che dei piccoli transistori possano essere costruiti di Nanotubi di carbonio individuali.