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전자 회로 1 Lecture 9 (BJT). 2009. 05. 임한조 아주대학교 전자공학부 hanjolim@ajou.ac.kr. 이 강의 노트는 전자공학부 곽노준 교수께서 08.03 에 작성한 것으로 노트제공에 감사드림. Overview. Reading: Sedra & Smith Chapter 5.1~5.2 Outline Bipolar-Junction Transistor (BJT) 3 nodes (Emitter/Base/Collector) BJT type (npn, pnp)

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전자 회로 1 Lecture 9 (BJT)

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Presentation Transcript


전자 회로 1Lecture 9 (BJT)

2009. 05.

임한조

아주대학교 전자공학부

hanjolim@ajou.ac.kr

이 강의 노트는 전자공학부 곽노준 교수께서 08.03에 작성한 것으로 노트제공에 감사드림.


Overview

  • Reading:

    • Sedra & Smith Chapter 5.1~5.2

  • Outline

    • Bipolar-Junction Transistor (BJT)

      • 3 nodes (Emitter/Base/Collector)

      • BJT type (npn, pnp)

    • BJT mode of operation

      • Active (forward/reverse), Saturation, Cutoff

      • Common Base Gain (α), Common Emitter Gain (β)

    • 전류 – 전압 특성

Nojun Kwak


Bipolar Junction Transistor (BJT)

  • 3개의 terminals (nodes) : Base / Emitter / Collector

  • 일반적인 해석: voltage controlled current source (VBE로 IC를 제어)

  • 2 junctions: EBJ / CBJ

    • capacitance 성분 – high freq. modeling에서 중요하게 다루어짐

  • Diode (2 node device)보다 훨씬 유용

    • Signal amplification (analog circuit)

    • Digital logic & memory circuits (digital circuits)

  • 요즘에는 MOS (metal oxide semiconductor) transistor로 대체되는 추세

    • 그러나 여전히 중요 (응답이 빠르기 때문 – 많은 전류를 흘릴 수 있음)

NPN type

Nojun Kwak


Doping, Types & Symbols

  • Emitter가 Collector/Base 보다 훨씬 많이 도핑됨

  • Base 영역의 길이가 상당이 짧음

  • Type: NPN / PNP

    • NPN type:

      • 주된 전류는 electron을 통해 흐름

    • PNP type:

      • 주된 전류는 hole을 통해 흐름

npn type

E(n+)

B(p)

C(n-)

Nojun Kwak


4 Modes of Operation

Nojun Kwak


(Forward) Active mode 에서의 동작

  • Notation: VXY = VX - VY

  • VBE ≃ 0.7V (forward bias), VCB > -0.3V (reverse bias)

  • 동작

    • EBJ가 forward bias이므로 emitter에서 base로 electron을 제공 (약간의 hole이 base에서 emitter쪽으로 흐름, why??)

    • Base 영역이 짧으므로 E에서 제공된 electron들은 대부분 B에서 재결합하지 못하고 CBJ depletion영역에 도달 (CBJ 넓이 >> EBJ 넓이)

    • 이렇게 CBJ depletion 영역에 도달한 electron들은 모두 C로 빨려들어감 (drift, reverse bias이므로)

Nojun Kwak


Diffusion current (EBJ)

  • EBJ (forward bias) 에서의 전류

    • ND (Emitter) > NA (Base) 이므로 전류는 주로 electron에 의해 흐름

    • Diffusion current >> Drift current (forward bias이므로)

       Electron의 Diffusion만을 생각해 보자.

(Exponential을 직선으로 approximation)

Nojun Kwak


전자이동방향

-

-

+

+

B

C

-

-

-

+

+

-

-

+

+

E-field

-

+

Collector Current

  • B에 inject된 minority carrier (electron)들은 B가 매우 짧으므로 대부분 재결합 못하고 EBJ에 도달 (Diffusion에 의해)

  • Depletion 영역 안에서 자생적으로 생겨나는 electron/hole pair의 개수는 B에서 inject되는 electron 수에 비해 무시할 만한 수준

  • Saturation (Scaling) current:

p

n

온도에 매우 민감

(VCB와 상관없이)

Nojun Kwak


Base Current

  • Base current를 이루는 두 성분

    • EBJ가 Forward Bias이므로 B에서 E로 hole들이 inject (ND << NA므로 E에서 B로 inject되는 electron수보다는 무시할 수준이지만 iB가 작으므로 이를 고려)

    • B가 짧아 E에서 inject된 대부분의 electron이 C에 도달하지만 일부는 majority carrier (hole)과 재결합 (E에서 B로 inject되는 electron수가 많으므로 이를 고려)

  • Total Base Current

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Beta (Common Emitter Current Gain)

  • Base 전류 (input)와 Collector 전류(output)의 비율

    • Beta는 트랜지스터의 고유한 값

    • Typical value: 약 50~200 (보다 커질 수 있다.) 클수록 좋음

    • Common Emitter Current Gain 이라 부르기도 함. (Why?)

    • W (B의 길이)가 작을수록 ND(Emitter)/NA(Base)가 클수록 커짐

Nojun Kwak


Emitter Current & Alpha

  • Emitter 전류는 iB와 iC의 합

  • α: Common Base Current Gain (Why?)

    • 보통 0.99정도 (1보다 작은 값, 크면 클수록 좋음)

    • What if α=1?

Nojun Kwak


Equivalent model for Forward Active Mode

Large signal model (bias를 잡기 위함)

Nojun Kwak


electron flow

Reverse Active Mode

  • E와 C의 역학이 바뀜 (EBJ: reverse / CBJ: forward)

    • Collector에서 제공된 minority carrier인 전자가 Base에서 일부 재결합, 일부는 그대로 Base-metal contact을 통해 빠져나가고 Emitter에는 50%이하가 도달함.

    •  αR < 0.5, βR < 1 (EBJ영역의 넓이가 매우 작으므로)

    • αRIsc = αFISE = IS

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Saturation Mode

  • EBJ / CBJ 양쪽이 모두 forward bias

    • Electron 방향: EBJ (E  B) + CBJ (C  B) = small

Nojun Kwak


The PNP Transistor

  • 주로 hole에 의해 전류가 흐름

  • Forward active: VEB > 0, VBC > 0

Nojun Kwak


The Ebers-Moll (EM) Model

  • 모든 mode에 적용가능

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C

C

β

α

1

1-α

B

B

β+1

1

E

E

전류-전압 특성 (forward active mode)

0.7V

0.7V

β = 100, α = 0.99 ≃ 1

Nojun Kwak


iC – vCB특성곡선 (common-base)

Nojun Kwak


iC – vCE특성곡선 (Common Emitter)

Nojun Kwak


The Early Effect

  • reverse bias (CBJ) 증가  depletion 영역 증가  effective Base width 감소  전류 증가

1

ro

Early voltage ~ 100V

Nojun Kwak


Output resistance seen at Collector

Nojun Kwak


Common Emitter Current Gain (β)

Breakdown

(large reverse

voltage)

Nojun Kwak


Saturation Mode 특성 (Switch에 주로 사용)

* 자세한 내용은 Section 5.2.4를 참조

Nojun Kwak


Overdrive factor:

More on Saturation mode

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전류 방향

Ebers-Moll model

Large signal equivalent circuit

BJT Summary

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