Fisica del transistor [per addetti ai lavori]

[dario fgx]

Salve ragazzi averi bisogno di sciogliere alcuni dubbi con l'ausilio del vostro insostituibile aiuto.
Tra l'altro non posso nemmeno rivolgermi ad alcun professore pèerchè sto trattando la cosa per conto mio.
Il mio testo di riferimento è lìinsostituibile quanto laconico SZE Dispositivi a semiconduttore, in italiano grazie ad Hoepli.

Allora sia un transistore di tipo p+\n\p

la giunzione p+\n è polarizzata in maniera diretta
la giunzione n\p in maniera inversa.

Dunque p+ inietta lcune nella base n se questa è molto più corta della lunghezza L di cui le lacune necessitano prima di ricombinarsi totalmente con gli e- maggioritari in n alcune di queste raggiungono indisturbate la giunzione base collettore polarizzata inversamente.

Ragionerò sulle lacune.

Fin qui tutto ok, procedo utilizzando le parole dello SZE:
"le lacune vengono a galla nel collettore come le bolle in un liquido"

ora faccio riferimento ad un'altro testo Quantum Physisc":

Le lacune che arrivano nella base sono attratte dalla differenza di potenziale tra collettore e base:una corrente si instaura tra collettore e base.
Ora la polarizzazione inversa base collettore interdice una corente perchè si presuppone che in n si abbiano portatore negativi ed in p positivi, ma se in n ci iniettiamo portatori positivi allora la musica cambia.La zona p di contatto con la zona n è infatti rimasta negativa (perchè ha accettato elettroni e ed collegata al morsetto negativo) e quindi le lacune in base vengono attratte dal collettore.

Questa sarebbe un'ottima spiegazione.

Tuttavia lo SZE quando risolve le equazioni per il calcolo della corrente di collettore (ma non solo per questa) imputa l'origine di tale corrente esclusivamente ad un gradiente di concentrazione di lacune tra la zona n di base e la zona p di collettore, infatti nessun termine relativo alla polarizzazione è introdotto!
Ora io dico:
si che l'emettitore è più drogato del collettore ed inietta molte lacune nella stretta base però il collettore è pur sempre una regione p:come ci può essere un cosi' forte gradiente di concentrazione tra la base e la zona p?

La mia risposta sarebbe una fusione tra i due testi magari taciuta sullo SZE: il gradiente è inteso tra base e regione di svuotamento della zona base\collettore (base "ricca" di lacune iniettate, svuotamento privo di lacune)
A tale termine di gradiente non si oppone alcun termine di campo a causa del fatto che la tensione invrsa nn interdice un flusso di lacune "al contrario" (ovvero da una zona n ad una zona p svuotata) le lacune emergono nel collettore e poi la corrente prosegue verso il morsetto negativo a causa della polarizzazione.

Che ne pensate?

Mi raccomando io sto facendo uno studio nei minimi dettagli e rsiolvendo molte delle quazioni, per cui se qualcuno ha sommarie nozioni sui transistor è vivamente pregato di astenersi.

Grazie a quanti vorranno partecipare.

[hibone]

Ti conviene postare un modello bidimensionale su cui definire i terminali di collettore base ed emettitore... per comodità...
Poi sulla struttura ( in sezione) del bjt puoi rappresentare i flussi dei portatori...

Il gradiente di portatori si forma perchè le lacune vengono iniettate dal collettore in base con concentrazione molto superiore a quella degli elettroni ( presenti in base come maggioritari ) e vengono estratte dalla zona di svuotamento tra base ed emettitore determinando concentrazione praticamente nulla tra base ed emettitore...

In sostanza le lacune, portatori maggioritari al collettore, vengono iniettati in una zona dove sono minoritari, la base che è molto stretta, resa ancora più stretta dalle regioni di svuotamento, che si sviluppano principalmente nella base...
Questo fa si che le lacune, che nella base sono portatori minoritari, abbiano concentrazione molto superiore a quella dei maggioritari, si ottiene pertanto che i portatori maggioritari in base praticamente scompaiono, mentre d'altra parte si ha che i minoritari attraversano rapidamente la base...
poichè attraversata la base le lacune raggiungono una zona di svuotamento, esse vengono risucchiate e la loro concentrazione i corrispondenza della regione di svuotamento va a zero...

SCUSATE HO RI-EDITATO IL TESTO...

[dario fgx]

Originariamente inviato da hibone

ti conviene definire i terminali di collettore base ed emettitore... per comodità...
e ti conviene rappresentare almeno grossolanamente la struttura ( in sezione) del bjt... in modo da tracciare in modo schematico i flussi di portatori...

il gradiente di concentrazione si forma perchè i portatori maggioritari vengono iniettati in una zona dove sono minoritari ( la base) ... la zona inoltre è molto stretta, quindi viene attraversata rapidamente, senza contare che essa è circondata dalle regioni di svuotamento...

si ottiene pertanto che i portatori maggioritari in base praticamente scompaiono, e questo limita il flusso dei minoritari di base...

se riesco ti posto due appunti..
qualcosina la trovi anche sul sedra-smith... per caso cè in giro in italiano...
alla voce "oligrone"

Ciao hibone grazie!
Però devo dirti che non hai chiarito il mio dubbio.
Infatti io non mi domando perchè il gradiente si instauri tra emettitore e base, il che è evidente.
Capisco anche come la base (stretta e meno drogata) si svuoti praticamente di portatori maggioritari.
Non mi è chiaro come le lacune entrate nella base vadano nel collettore per gradiente di concentrazione:ok la base è piena di lacune ma anche il collettore lo è:come si instaura un gradiente cosi' intenso?
Lo chiedo perchè la corrente di collettore sul mio libro viene calcolata considerando proprio solo il termine di gradiente.
Immagino dunque che tale gradiente sia riferitto alla differenza di concentrazione base\strato di svuotamento sulla giunzione base\collettore
...

[dario fgx]

ops abbiamo postato assieme...

[hibone]

Originariamente inviato da dario fgx

ops abbiamo postato assieme...

prima ho rieditato il testo...
ero andato a riguardare qualcosa e avevo postato in via temporanea...

comunque ricorda di considerare
A: le condizioni al contorno
B: il fatto che il dispositivo è comunque soggetto a tensione e che la tensione di base è sempre intermedia a quella di collettore ed emettitore


se puoi fare un refresh e ricontrollare il mio vecchio post magari mi indichi cosa, nello specifico, non è chiaro...
semmai entro più nel dettaglio...

[dario fgx]

Originariamente inviato da hibone

prima ho rieditato il testo...
ero andato a riguardare qualcosa e avevo postato in via temporanea...

comunque ricorda di considerare
A: le condizioni al contorno
B: il fatto che il dispositivo è comunque soggetto a tensione e che la tensione di base è sempre intermedia a quella di collettore ed emettitore


se puoi fare un refresh e ricontrollare il mio vecchio post magari mi indichi cosa, nello specifico, non è chiaro...
semmai entro più nel dettaglio...

certo ho riletto il post, eccoti cosa non mi è chiaro, esattamente ciò che ho scritto sopra:
Infatti io non mi domando perchè il gradiente si instauri tra emettitore e base, il che è evidente.
Capisco anche come la base (stretta e meno drogata) si svuoti praticamente di portatori maggioritari.
Non mi è chiaro come le lacune entrate nella base vadano nel collettore per gradiente di concentrazione:ok la base è piena di lacune ma anche il collettore lo è:come si instaura un gradiente cosi' intenso?
Lo chiedo perchè la corrente di collettore sul mio libro viene calcolata considerando proprio solo il termine di gradiente.
Immagino dunque che tale gradiente sia riferitto alla differenza di concentrazione base\strato di svuotamento sulla giunzione base\collettore
...

Grazie.

[hibone]

Originariamente inviato da dario fgx

certo ho riletto il post, eccoti cosa non mi è chiaro, esattamente ciò che ho scritto sopra:
Infatti io non mi domando perchè il gradiente si instauri tra emettitore e base, il che è evidente.
Capisco anche come la base (stretta e meno drogata) si svuoti praticamente di portatori maggioritari.
Non mi è chiaro come le lacune entrate nella base vadano nel collettore per gradiente di concentrazione:ok la base è piena di lacune ma anche il collettore lo è:come si instaura un gradiente cosi' intenso?

l'ho scritto sopra ma probabilmente mi sono spiegato male...

il gradiente di concentrazione si instaura perchè la zona di svuotamento estrae le lacune dalla regione di base, e quindi determina una riduzione locale del numero di lacune...

Lo chiedo perchè la corrente di collettore sul mio libro viene calcolata considerando proprio solo il termine di gradiente.
Immagino dunque che tale gradiente sia riferitto alla differenza di concentrazione base\strato di svuotamento sulla giunzione base\collettore
...

Grazie

cerco un disegnino...

[hibone]

dal disegnino li sopra abbiamo che tra base e collettore la giunzione è in polarizzazione inversa... ( la regione di svuotamento è estesa )
mentre tra emettitore e collettore la giunzione è in polarizzazione diretta... ( e la regione di svuotamento è contratta )

la regione in polarizzazione inversa richiama le lacune dalla base e le trasferisce al collettore... quindi essa provoca nella regione di base, una riduzione del numero dei portatori...
l'altra giunzione invece provoca un accumulo di portatori, quindi la concentrazione di lacune nella regione di base vicino all'emettitore, è vicina a "p++" mentre nella regione di collettore è vicina a zero...

[dario fgx]

Originariamente inviato da hibone

dal disegnino li sopra abbiamo che tra base e collettore la giunzione è in polarizzazione inversa... ( la regione di svuotamento è estesa )
mentre tra emettitore e collettore la giunzione è in polarizzazione diretta... ( e la regione di svuotamento è contratta )

la regione in polarizzazione inversa richiama le lacune dalla base e le trasferisce al collettore... quindi essa provoca nella regione di base, una riduzione del numero dei portatori...
l'altra giunzione invece provoca un accumulo di portatori, quindi la concentrazione di lacune nella regione di base vicino all'emettitore, è vicina a "p++" mentre nella regione di collettore è vicina a zero...

Ma lo sai che è proprio il disegno fatto sul mio libro?

Insomma confermi quello che credevo...ti ringrazio!

[hibone]

Originariamente inviato da dario fgx

Ma lo sai che è proprio il disegno fatto sul mio libro?

Insomma confermi quello che credevo...ti ringrazio!

beh d'altra parte se da una parte spingi dentro portatori, e dall'altra li togli... non puoi che ottenere una concentrazione decrescente man mano che ti sposti da emettitore a collettore...

figurati...

[dario fgx]

Originariamente inviato da hibone

beh d'altra parte se da una parte spingi dentro portatori, e dall'altra li togli... non puoi che ottenere una concentrazione decrescente man mano che ti sposti da emettitore a collettore...

figurati...

eh si, ma ancora al mio precedente messaggio non avevo capito.
In pratica io interpretavo il gradiente in questo modo:
se ci deve essere una corrente di lacune la ho solo se ho una differenza di concentrazione di lacune tra base e collettore.

In realta leggendo la "saturazione" dice che se polarizzo dirattamente anche la giunzione base collettore riduco lo strato di svuotamento, indi non posso imporre nell'equazione dei minoritari che alla fine della base (dalla parte del collettore) la concentrazione delle lacune si annulli, anzi se questa diventa pari a quella presente all'inizio della base(dalla parte dell'emettitore) il gradiente nella base scompare e quindi non si ha corente di collettore.

Questo mi ha fatto intendere che in verità il termine di gradiente orienta i miniritari e gli imprime una velocità che essi conservano fino a finire nel collettore.

Puoi confermare?

[hibone]

Originariamente inviato da dario fgx

eh si, ma ancora al mio precedente messaggio non avevo capito.
In pratica io interpretavo il gradiente in questo modo:

tanto per puntualizzare il gradiente è una "derivata" ed in questo caso è la derivata della concentrazione dei portatori...

quindi il gradiente non ha un ruolo "attivo" esso descrive soltanto come si muovono i portatori, cioè da zone a concentrazione maggiore a zone a concentrazione minore...

se ci deve essere una corrente di lacune la ho solo se ho una
differenza di concentrazione di lacune tra base e collettore.

nope... la differenza di concentrazione che prendi in esame, è alle due estremità della regione di base, ma sempre e solo dentro la regione di base.

il trasporto base->collettore lo fa il campo elettrico della zona di svuotamento... dovresti averlo visto studiando i diodi e le giunzioni pn.

In realta leggendo la "saturazione" dice che se polarizzo dirattamente anche la giunzione base collettore riduco lo strato di svuotamento,

la riduzione dello strato di svuotamento è una conseguenza, non una causa.
la polarizzazione diretta della giunzione base collettore determina un campo elettrico opposto a quello della zona di svuotamento, tale campo ostacola l'effetto "aspirapolvere" della zona stessa, e impedisce il passaggio di carica
che si accumula in base a margine della regione di svuotamento... dacui segue questo

indi non posso imporre nell'equazione dei minoritari che alla fine della base (dalla parte del collettore) la concentrazione delle lacune si annulli, anzi se questa diventa pari a quella presente all'inizio della base(dalla parte dell'emettitore) il gradiente nella base scompare e quindi non si ha corente di collettore.

Questo mi ha fatto intendere che in verità il termine di gradiente orienta i miniritari e gli imprime una velocità che essi conservano fino a finire nel collettore.

Puoi confermare?

la conclusione è corretta, ma ti ricordo che il gradiente è uno strumento matematico... può descrivere il fenomeno.. non "causarlo" infatti per ciascuna configurazione ( saturazione interdizione polarizzazione diretta e inversa ) hai dei grafici che descrivono la concentrazione di carica in funzione dela posizione nel bjt..

ovviamente le conclusioni sono quelle, ma il corretto punto di vista sulle cose aiuta a tenerle a mente

[dario fgx]

si ok sul gradiente, so bene cos'è e scrivevo cosi' per semplicità; ok anche sul vederci chiaro sulle cause, è per questo che ho aperto il thread!
Ok anche sullo strato di svuotamento che è una conseguenza sapevo anche questo.

Però non ci siamo ancora allora:
Abbiamo stabilito che il gradiente è interno alla base, e confermi la mia cnclusione sull'effetto di orientare ed imprimere una velocità ai minoritari tanto da farli finire nel collettore.
Però in precedenza ai detto

"
il trasporto base->collettore lo fa il campo elettrico della zona di svuotamento... dovresti averlo visto studiando i diodi e le giunzioni pn.
"

Questo che mi appare molto ovvio non è però esplicitato in nessun paragrafo dedicato al transistor sullo SZE.

Anzi la corrente di collettore (quindi il tuo trasporto base collettore) viene calcolato in questo modo Ic=-q*Dp*d(Pn)\dx

dove:
q è la carica
D il termine di diffusività
Pn i minoritari in base

mentre nessun contributo di campo elettrico è inserito.

Il libro pare ragionare in questo modo:

1)La polarizzazione inversa base\collettore determina l'instaurarsi di uno strato di svuotamento.

2)Data l'equazione di continuità la risolvo considerando(condizioni al contorno) che Pn si annulli alla fine della base e sia massima all'inizio della base.

Dunque ho un gradiente di concentrazione che genera una corrente:orienta ed imprime una velocità ai minoritari tanto da farli finire nel collettore.
Calcolo questa corrente derivando(gradiente) l'equazione per Pn.

Quindi il campo di polarizzazione inversa non è mensionato, sembra servire solo ad espandere lo strato di svuotamento e darmi una condizione al contorno (Pn=0 alla fine della base) per risolvere l'equazione di continuità su cui poi far lavorare l'operatore gradiente per ottenere la corrente.

[hibone]

Originariamente inviato da dario fgx

si ok sul gradiente, so bene cos'è e scrivevo cosi' per semplicità; ok anche sul vederci chiaro sulle cause, è per questo che ho aperto il thread!
Ok anche sullo strato di svuotamento che è una conseguenza sapevo anche questo.

tranqui... ho precisato solo per evitare fraintendimenti e per "fissarlo" come punto fermo... tanto per avere un punto assodato da cui ri-partire

Però non ci siamo ancora allora:
Abbiamo stabilito che il gradiente è interno alla base, e confermi la mia cnclusione sull'effetto di orientare ed imprimere una velocità ai minoritari tanto da farli finire nel collettore.
Però in precedenza ai detto

"
il trasporto base->collettore lo fa il campo elettrico della zona di svuotamento... dovresti averlo visto studiando i diodi e le giunzioni pn.
"

Questo che mi appare molto ovvio non è però esplicitato in nessun paragrafo dedicato al transistor sullo SZE.

Anzi la corrente di collettore (quindi il tuo trasporto base collettore) viene calcolato in questo modo Ic=-q*Dp*d(Pn)\dx

dove:
q è la carica
D il termine di diffusività
Pn i minoritari in base

mentre nessun contributo di campo elettrico è inserito.

Il libro pare ragionare in questo modo:

1)La polarizzazione inversa base\collettore determina l'instaurarsi di uno strato di svuotamento.

2)Data l'equazione di continuità la risolvo considerando(condizioni al contorno) che Pn si annulli alla fine della base e sia massima all'inizio della base.

Dunque ho un gradiente di concentrazione che genera una corrente:orienta ed imprime una velocità ai minoritari tanto da farli finire nel collettore.
Calcolo questa corrente derivando(gradiente) l'equazione per Pn.

Quindi il campo di polarizzazione inversa non è mensionato, sembra servire solo ad espandere lo strato di svuotamento e darmi una condizione al contorno (Pn=0 alla fine della base) per risolvere l'equazione di continuità su cui poi far lavorare l'operatore gradiente per ottenere la corrente.

quando le lacune hanno attraversato la base e raggiungono la zona di svuotamento tra base e collettore che gli succede?!

ovviamente la corrente dipende dal numero di cariche che raggiunge la zona di svuotamento, non dalla tensione ai suoi capi...

[dario fgx]

Originariamente inviato da hibone

tranqui... ho precisato solo per evitare fraintendimenti e per "fissarlo" come punto fermo... tanto per avere un punto assodato da cui ri-partire



quando le lacune hanno attraversato la base e raggiungono la zona di svuotamento tra base e collettore che gli succede?!

ovviamente la corrente dipende dal numero di cariche che raggiunge la zona di svuotamento, non dalla tensione ai suoi capi...

e certo questo è chiaro.

Quindi le cose stanno effettivamente cosi, è poi il potenziale che attrae le lacune giù nel collettore...

[hibone]

Originariamente inviato da dario fgx

e certo questo è chiaro.

Quindi le cose stanno effettivamente cosi, è poi il potenziale che attrae le lacune giù nel collettore...

esatto...

[dario fgx]

Originariamente inviato da hibone

esatto...

dunque ti ringrazio moltissimo!
Sicuramente avrò ancora bisogno di aiuto più in là...!

[dario fgx]

edit
guardata il mio post successivo

[dario fgx]

Ciao!
Rieccomi su questo dubbio

Provo a chiarirmi.

Mi piacerebbe avere (è una mia fissazione) una definizione molto "fisica" di amplificatore, cioè descrivere come questo oggetto effettivamnte è in grado di amplificare in termini fisici e come si riprende l'energia che ha speso per amplificare il segnale.

Su tutti i testi che ho consultato (compreso il tuo amatissimo Sedra ) ci sono frasi come questa:
"the answer is found by observing that amplifiers need dc power supplies for their operations"

Una frase del genere, per quanto mi riguarda, costringe a riflettere sulla effettiva motivazione.


Dunque cortesemente seguite questo ragionamento e ditemi se può essere considerato corretto o meno.

Perchè il transistor è considerato un amplificatore?
Io l'unica risposta sensata (che non si limita e scrivere tante belle equazioni mal spiegate su correnti e tensioni) la trovo qui:
http://www.uoguelph.ca/~antoon/tutor...or1/xtor1.html

ovvero

siccome il collettore è inversamente polarizzato la resistenza base-collettore è elevata (ciò esprime il fatto fisico che i portatori in teoria non possono attraversarla perchè la barriera energetica è elevata).La resistenza base emettitore è invece più bassa(ciò esprime il fatto che la barriera energetica è stata abbassata dalla polarizzazione diretta).
Dato che (grazie ell'effetto transistor) la corente nel collettore è quasi la stessa di quella in emettitore, abbiamo una maggiore potenza sul collettore!
Questo consente un Guadagno.

Questo fatto intuitivo è taciuto su tutti i testi che ho trovato.

Che ve ne pare?
E' corretto?
A me pare l'unica spiegazione sensata!Ma ovviamente potrei sbagliarmi.


Veniamo ora alla conservazione di energia e prendiamo un PNP dove le lacune di emettitore finiscono in collettore.

La polarizzazione inversa incrementa la dimensione dello strato di svuotamento anche nel collettore dove le lacune sono estratte e mandate sul morsetto positivo, quando altre lacune finiscono nel collettore P è nuovamente necessario rimuoverle con dispendio di energia da parte della batteria.
Infatti se queste nuove lacune non fossero rimosse farebbero crescere il potenziale di collettore fino ad annullare la polarizzazione inversa, ciò determinerebbe una riduzione del guadagno (cosi' come l'ho inteso nella definizione precedente) e l'energia sarebbe conservata.


Che ve ne pare?
E' un'idea corretta?


Dario.

[sasa83]

Originariamente inviato da dario fgx

Questo fatto intuitivo è taciuto su tutti i testi che ho trovato.

Che ve ne pare?
E' corretto?
A me pare l'unica spiegazione sensata!Ma ovviamente potrei sbagliarmi.

è taciuto giustamente secondo me....parlare di resistenza e potenza quando si parla di bande di energia e buche di potenziale come se si stesse parlando di circuiti elettrici non mi pare molto sensato.