Principi di funzionamento del transistor BJT
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Il transistor BJT, elemento fondamentale nell'elettronica, è un dispositivo semiconduttore che amplifica, commuta e modula segnali elettrici. Composto da tre strati di materiale semiconduttore, forma due giunzioni PN e si classifica in NPN o PNP. Il suo funzionamento si basa sulla capacità di controllare il flusso di corrente tra collettore ed emettitore attraverso la corrente iniettata nella base. Questa caratteristica lo rende essenziale in molti circuiti, con applicazioni che vanno dall'amplificazione lineare alla commutazione efficiente di potenza.
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Principi di funzionamento del transistor BJT
Il transistor BJT (Bipolar Junction Transistor) è un dispositivo semiconduttore che svolge funzioni di amplificazione, commutazione o modulazione di segnali elettrici. È composto da tre strati di materiale semiconduttore drogato che formano due giunzioni PN: una tra l'emettitore (E) e la base (B), e l'altra tra la base e il collettore (C). I transistor BJT si classificano in due tipologie: NPN e PNP, a seconda dell'ordine dei materiali drogati. Il funzionamento del BJT si basa sulla capacità di controllare il flusso di corrente tra collettore ed emettitore mediante la corrente iniettata nella base. Quando la giunzione base-emettitore è polarizzata direttamente (tensione positiva per i BJT NPN e negativa per i PNP), si innesca un flusso di portatori di carica che permette la conduzione tra collettore ed emettitore. La corrente di collettore (Ic) è proporzionale alla corrente di base (IB) secondo il fattore di amplificazione β (o hFE), secondo la relazione Ic = β · IB. Questo meccanismo di amplificazione rende il BJT un componente cruciale in numerosi circuiti elettronici.Caratteristiche e modalità operative del transistor BJT
Il transistor BJT ha caratteristiche che dipendono dal drogaggio e dalla geometria dei suoi strati semiconduttori. La sua asimmetria strutturale fa sì che il guadagno di corrente sia diverso se i terminali di collettore ed emettitore vengono scambiati. Il BJT può operare in tre regioni principali: interdizione (cutoff), in cui non fluisce corrente tra collettore ed emettitore; saturazione, dove il transistor è completamente acceso e la corrente di collettore è massima; e la regione attiva, in cui il transistor funziona come amplificatore lineare. La scelta della regione operativa è fondamentale per ottimizzare la dissipazione di potenza, che è minima in interdizione, moderata in saturazione e massima in regione attiva. Quando utilizzato come interruttore, è cruciale che il BJT operi nelle regioni di interdizione e saturazione per ridurre al minimo la dissipazione di potenza e garantire efficienza energetica, tenendo in considerazione i tempi di commutazione che possono influenzare la durata delle fasi di dissipazione.Il transistor PNP e il suo funzionamento on/off
Il transistor PNP è il complementare del NPN, con polarità opposte. Per attivarlo, l'emettitore deve essere a un potenziale più alto rispetto al collettore, e la base deve essere polarizzata negativamente rispetto all'emettitore. La corrente di base fluisce in direzione opposta rispetto al NPN, uscendo dalla base, e la corrente di collettore è ancora proporzionale alla corrente di base, seguendo la relazione Ic = β · IB. Nei circuiti on/off, il transistor PNP è spesso utilizzato per controllare carichi connessi a massa, con la giunzione base-emettitore che si comporta come un diodo PN in polarizzazione diretta quando il transistor è acceso.Modello elettrico del transistor BJT e dissipazione di potenza
Il modello elettrico del transistor BJT può essere rappresentato da un diodo tra base ed emettitore per la polarizzazione diretta della giunzione, e un generatore di corrente controllato tra collettore ed emettitore, che rappresenta la corrente di collettore dipendente dalla corrente di base. La potenza dissipata dal transistor, espressa come P = VCE · Ic, varia in base alla modalità operativa. È trascurabile in interdizione, limitata in saturazione e significativa in regione attiva, dove sia la tensione VCE sia la corrente Ic sono elevate. Per ridurre la dissipazione termica e migliorare l'affidabilità del dispositivo, è preferibile operare in saturazione o interdizione, evitando la regione attiva quando non necessario.Connessione Darlington e transistor MOSFET
La connessione Darlington consiste nell'accoppiare due transistor BJT in modo che la corrente amplificata dal primo transistor venga ulteriormente amplificata dal secondo, ottenendo un guadagno di corrente complessivo molto alto. Questa configurazione è utile per pilotare carichi pesanti con una piccola corrente di base. I MOSFET, d'altra parte, sono transistor a effetto di campo che utilizzano un campo elettrico per controllare la forma e la conduttività di un canale semiconduttore. Con elevata impedenza di ingresso e bassa corrente di pilotaggio, i MOSFET sono ideali per applicazioni che richiedono un controllo efficiente della potenza. Disponibili nelle versioni a canale N e P, i MOSFET sono sensibili alle scariche elettrostatiche e richiedono precauzioni durante la manipolazione e l'uso nei circuiti.
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Struttura del transistor BJT
Composizione del transistor BJT
Il transistor BJT è composto da tre strati di materiale semiconduttore drogato che formano due giunzioni PN
Classificazione del transistor BJT
Il transistor BJT si classifica in due tipologie: NPN e PNP, a seconda dell'ordine dei materiali drogati
Funzionamento del transistor BJT
Il BJT controlla il flusso di corrente tra collettore ed emettitore mediante la corrente iniettata nella base, permettendo di svolgere funzioni di amplificazione, commutazione o modulazione di segnali elettrici
Funzionamento del transistor PNP
Polarizzazione del transistor PNP
Per attivarlo, l'emettitore deve essere a un potenziale più alto rispetto al collettore, e la base deve essere polarizzata negativamente rispetto all'emettitore
Corrente di base e di collettore
La corrente di base fluisce in direzione opposta rispetto al NPN, uscendo dalla base, e la corrente di collettore è ancora proporzionale alla corrente di base
Utilizzo del transistor PNP nei circuiti on/off
Il transistor PNP è spesso utilizzato per controllare carichi connessi a massa, con la giunzione base-emettitore che si comporta come un diodo PN in polarizzazione diretta quando il transistor è acceso
Modello elettrico e dissipazione di potenza del transistor BJT
Modello elettrico del transistor BJT
Il modello elettrico del transistor BJT può essere rappresentato da un diodo tra base ed emettitore e un generatore di corrente controllato tra collettore ed emettitore
Dissipazione di potenza del transistor BJT
La potenza dissipata dal transistor varia in base alla modalità operativa, ed è preferibile operare in saturazione o interdizione per ridurre la dissipazione termica e migliorare l'affidabilità del dispositivo
Connessione Darlington e transistor MOSFET
La connessione Darlington permette di ottenere un guadagno di corrente molto alto accoppiando due transistor BJT, mentre i transistor MOSFET sono ideali per applicazioni che richiedono un controllo efficiente della potenza
Principi di funzionamento del transistor BJT
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Componenti del BJT
Tre strati semiconduttori: emettitore, base, collettore. Due giunzioni PN: E-B e B-C.
01
Tipologie di BJT
Due tipi: NPN (materiale drogato in sequenza N-P-N) e PNP (sequenza P-N-P).
02
Polarizzazione giunzione B-E
Diretta per attivare BJT: positiva per NPN, negativa per PNP.
