Il primo transistor a giunzione bipolare fu inventato ai Bell Laboratories nel 1947. “Bipolare” si riferisce al fatto di essere bipolare, da cui il nome transistor a giunzione bipolare (BJT). Un BJT è un dispositivo a tre terminali con un collettore (C), una base (B) e un emettitore (E).
Attualmente esistono due tipi di cristalli a giunzione bipolare, ovvero i transistor NPN e PNP. In questo articolo, introdurremo la struttura, il principio di funzionamento e l’applicazione del transistor PNP.
Cos'è un transistor PNP?
Un transistor PNP è un tipo di transistor a giunzione bipolare (BJT) che consiste in tre strati di semiconduttori drogati. In un transistor PNP, le portatrici di carica maggioritarie sono le lacune, che fluiscono dall’emettitore alla base e poi al collettore. Il transistor PNP è ampiamente utilizzato nei circuiti elettronici come interruttore o amplificatore.
Struttura del transistor PNP
Per illustrare la struttura di un transistor PNP, considera il seguente diagramma:
Un transistor PNP è costituito da tre strati di materiali semiconduttori di tipo P e di tipo N alternati. I tre strati sono chiamati emettitore (E), base (B) e collettore (C). Gli strati sono disposti in una struttura a sandwich con due strati di tipo p che circondano uno strato di tipo n, da cui il nome PNP.
In questo diagramma, l’emettitore è a sinistra, il collettore è a destra e la base è al centro. La base è molto sottile e leggermente drogata, mentre l’emettitore e il collettore sono fortemente drogati. Il drogaggio degli strati crea giunzioni tra loro, che sono responsabili del funzionamento del transistor.
Quando una tensione viene applicata alla base del transistor PNP, una piccola corrente fluisce dall’emettitore alla base. Questa corrente provoca il flusso di una corrente molto più grande dal collettore all’emettitore, che può essere utilizzata per controllare un circuito esterno.
Come funziona un transistor PNP?
Come accennato in precedenza, un transistor è un dispositivo di controllo della corrente che ha due strati di svuotamento con un potenziale di barriera specifico necessario per diffondere gli strati di svuotamento. Il potenziale di barriera di un transistor al silicio è di 0,7 V a 25 °C, mentre quello di un transistor al germanio è di 0,3 V a 25 °C. Il tipo di transistor più comunemente utilizzato è il silicio perché è l’elemento più abbondante sulla Terra dopo l’ossigeno.
Funzionamento interno:
La struttura di un transistor PNP è tale che le regioni del collettore e dell’emettitore sono drogate con materiale di tipo p e la regione della base è drogata con un piccolo strato di materiale di tipo n. La regione dell’emettitore è fortemente drogata rispetto alla regione del collettore. Queste tre regioni formano due giunzioni, che sono la giunzione collettore-base (CB) e la giunzione base-emettitore.
Quando un potenziale negativo VBE che scende da 0 V viene applicato attraverso la giunzione base-emettitore, elettroni e lacune iniziano ad accumularsi nella regione di svuotamento. Quando il potenziale viene ulteriormente abbassato al di sotto di 0,7 V, viene raggiunta la tensione di barriera e si verifica la diffusione. Pertanto, gli elettroni fluiscono verso il polo positivo e la corrente di base (IB) è opposta al flusso di elettroni. Inoltre, se una tensione VCE viene applicata al terminale del collettore, una corrente inizia a fluire dall’emettitore al collettore. Pertanto, i transistor PNP possono fungere sia da interruttori che da amplificatori.
Area di funzionamento e modalità di funzionamento:
- Area attiva: IC = βxIB – funzionamento dell’amplificatore
- Regione di saturazione: IC = corrente di saturazione – funzionamento dell’interruttore (completamente acceso)
- Area di interdizione: IC=0—funzionamento dell’interruttore (completamente chiuso)
Esempi di applicazioni di transistor PNP
1. Transistor PNP come interruttore
I transistor PNP sono spesso utilizzati come interruttori nei circuiti. In questo esempio utilizziamo il modello PSPICE e il transistor PN2907A. Ricorda sempre di utilizzare una resistenza di limitazione della corrente alla base. Una corrente di base più elevata può danneggiare il BJT. Secondo il datasheet sottostante, la corrente continua massima del collettore è di 600mA e il guadagno corrispondente (hFE o β) è indicato nel datasheet come condizione di test. Sono disponibili anche la tensione di saturazione e la corrente di base corrispondenti.
Passaggi per selezionare i componenti:
1. Trova la corrente del collettore, che è la corrente assorbita dal carico. In questo caso sarebbe 200mA (in parallelo con LED o carico) e resistenza = 60 ohm.
2. Per pilotare il transistor in uno stato di saturazione, è necessario prelevare una corrente di base sufficiente per accendere completamente il transistor. Calcola la corrente di base e la corrispondente resistenza da utilizzare. La seguente è la formula di calcolo della corrente di base e della resistenza di base in un transistor PNP:
IB=IC/β=-200 mA / 90=-2.2 mA≈-2.5mA
RB=VBE/IB=-5/-2.5 mA=2000 Ohm≈2.2k Ohm
Per una saturazione completa, la corrente di base è di circa 2.5mA (non troppo alta o troppo bassa). Quindi, di seguito è riportato il circuito per 12V alla base, allo stesso modo per l’emettitore a massa, durante il quale l’interruttore è spento.
Teoricamente, l’interruttore è completamente aperto, ma in pratica è possibile osservare una corrente di dispersione. Questa corrente è trascurabile poiché le loro unità sono pA o nA. Per comprendere meglio il controllo della corrente, un transistor può essere pensato come una resistenza variabile tra collettore (C) ed emettitore (E), la cui resistenza cambia in base alla corrente che scorre attraverso la base (B).
Inizialmente, quando nessuna corrente scorre attraverso la base, la resistenza tra CE è così alta che nessuna corrente la attraversa. Quando una differenza di potenziale di 0.7V e superiore appare al terminale di base, la giunzione BE si diffonde e provoca la diffusione della giunzione CB. Ora la corrente che scorre dall’emettitore al collettore è proporzionale alla corrente che scorre dall’emettitore alla base, che è il guadagno.
Ora vediamo come controllare la corrente di uscita controllando la corrente di base. IC fisso = 100mA, anche se il carico è di 200mA, il guadagno corrispondente nel datasheet è compreso tra 100 e 300 e seguendo la stessa formula di cui sopra, otteniamo:
IB=IC/β=-100 mA/250=-0.4 mA
RB=VBE/IB=-5/-0.4 mA=12500 Ohm≈13k Ohm
La differenza tra i valori effettivi e calcolati è dovuta alla caduta di tensione attraverso il transistor e al carico resistivo utilizzato. Inoltre, il valore standard della resistenza di 13k0hm è stato utilizzato alla base invece di 12.5kohm.
2. Transistor PNP come amplificatore
L’amplificazione è la conversione di un segnale debole in una forma utilizzabile. Il processo di amplificazione è un passo importante in molte applicazioni come la trasmissione wireless di segnali, la ricezione wireless di segnali, lettori Mp3, telefoni cellulari, ecc. I transistor possono amplificare potenza, tensione e corrente in diverse configurazioni.
Alcune configurazioni utilizzate nei circuiti amplificatori a transistor sono:
- amplificatore a emettitore comune
- amplificatore a collettore comune
- amplificatore a base comune
Tra i tipi sopra indicati, il tipo a emettitore comune è la configurazione più comunemente utilizzata. Questo funzionamento avviene nella regione attiva, ad esempio in un circuito amplificatore a emettitore comune a singolo stadio. Un punto di polarizzazione CC stabile e un guadagno CA stabile sono importanti per la progettazione dell’amplificatore. Il nome amplificatore a singolo stadio si riferisce all’utilizzo di un solo transistor.
Sopra è riportato un amplificatore a singolo stadio, in cui un segnale debole applicato al terminale di base viene convertito in beta volte il segnale effettivo al terminale di collettore.
Configurazioni del circuito amplificatore per transistor PNP
I circuiti amplificatori sono disponibili in tre configurazioni: emettitore comune (CE), base comune (CB) e collettore comune (CC). Queste configurazioni utilizzano diversi elementi capacitivi e resistivi per l’amplificazione e la stabilizzazione del segnale.
Emettitore comune (CE)
La configurazione CE (emettitore comune) include un condensatore di accoppiamento (CIN) e un condensatore di accoppiamento in uscita (COUT). CIN accoppia il segnale di ingresso alla base del transistor, consentendo il passaggio dei segnali CA isolando i segnali CC. COUT accoppia il segnale di uscita del transistor al circuito di carico e consente solo il passaggio del segnale CA. La configurazione CE utilizza anche un condensatore di bypass come percorso a bassa resistenza per il segnale amplificato.
Nella configurazione CE, R2 e RE sono utilizzati per fornire stabilità all’amplificatore, mentre R1 e R2 insieme agiscono come un divisore di tensione per garantire stabilità al punto di polarizzazione CC.
Base comune (CB)
In un amplificatore CB, l’ingresso viene applicato al terminale di emettitore e l’uscita viene prelevata dal terminale di collettore. Il terminale di emettitore è polarizzato direttamente, mentre il terminale di collettore è polarizzato inversamente. Le condizioni di polarizzazione di un amplificatore CB forniscono una bassa impedenza di ingresso e un’alta impedenza di uscita.
Il circuito amplificatore a base comune può essere rappresentato dalla seguente equazione: Av = -gmRc, dove Av è il guadagno di tensione, gm è il parametro di transconduttanza e Rc è la resistenza di carico. Il guadagno di tensione di un amplificatore a base comune è inferiore a uno, ma ha un elevato guadagno di corrente e una banda larga.
Collettore comune (CC)
L’amplificatore CC è anche noto come inseguitore di emettitore perché la tensione di uscita segue da vicino la tensione di ingresso. In un circuito amplificatore CC, il terminale di emettitore è sempre polarizzato a una tensione leggermente inferiore alla tensione di base, tipicamente intorno a 0,6 V per un transistor al silicio. Ciò garantisce che il transistor sia nella regione attiva e possa amplificare il segnale di ingresso.
L’amplificatore CC ha un’elevata impedenza di ingresso e una bassa impedenza di uscita, il che lo rende adatto per applicazioni di adattamento di impedenza e amplificazione di tensione. Offre anche un elevato guadagno di corrente e un’elevata larghezza di banda di guadagno unitario, il che lo rende ideale per la memorizzazione del segnale tra gli stadi di un amplificatore.
