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전자 회로 1 Lecture 9 (BJT)

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전자 회로 1 Lecture 9 (BJT). 2009. 05. 임한조 아주대학교 전자공학부 [email protected] 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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Presentation Transcript
1 lecture 9 bjt

전자 회로 1Lecture 9 (BJT)

2009. 05.

임한조

아주대학교 전자공학부

[email protected]

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

overview
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
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
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

forward active mode
(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
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

collector current
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 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

Nojun Kwak

beta common emitter current gain
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 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
Equivalent model for Forward Active Mode

Large signal model (bias를 잡기 위함)

Nojun Kwak

reverse active mode
electron flowReverse 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

Nojun Kwak

saturation mode
Saturation Mode
  • EBJ / CBJ 양쪽이 모두 forward bias
    • Electron 방향: EBJ (E  B) + CBJ (C  B) = small

Nojun Kwak

the pnp transistor
The PNP Transistor
  • 주로 hole에 의해 전류가 흐름
  • Forward active: VEB > 0, VBC > 0

Nojun Kwak

the ebers moll em model
The Ebers-Moll (EM) Model
  • 모든 mode에 적용가능

Nojun Kwak

forward active mode1
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

the early effect
The Early Effect
  • reverse bias (CBJ) 증가  depletion 영역 증가  effective Base width 감소  전류 증가

1

ro

Early voltage ~ 100V

Nojun Kwak

common emitter current gain
Common Emitter Current Gain (β)

Breakdown

(large reverse

voltage)

Nojun Kwak

saturation mode switch
Saturation Mode 특성 (Switch에 주로 사용)

* 자세한 내용은 Section 5.2.4를 참조

Nojun Kwak

bjt summary
전류 방향

Ebers-Moll model

Large signal equivalent circuit

BJT Summary

Nojun Kwak

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