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전자 회로 1 Lecture 9 (BJT)

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

  1. 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.

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 4 Modes of Operation Nojun Kwak

  6. (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

  7. 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

  8. 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

  9. 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

  10. 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

  11. 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

  12. Equivalent model for Forward Active Mode Large signal model (bias를 잡기 위함) Nojun Kwak

  13. 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 Nojun Kwak

  14. Saturation Mode • EBJ / CBJ 양쪽이 모두 forward bias • Electron 방향: EBJ (E  B) + CBJ (C  B) = small Nojun Kwak

  15. The PNP Transistor • 주로 hole에 의해 전류가 흐름 • Forward active: VEB > 0, VBC > 0 Nojun Kwak

  16. The Ebers-Moll (EM) Model • 모든 mode에 적용가능 Nojun Kwak

  17. 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

  18. iC – vCB특성곡선 (common-base) Nojun Kwak

  19. iC – vCE특성곡선 (Common Emitter) Nojun Kwak

  20. The Early Effect • reverse bias (CBJ) 증가  depletion 영역 증가  effective Base width 감소  전류 증가 1 ro Early voltage ~ 100V Nojun Kwak

  21. Output resistance seen at Collector ’ Nojun Kwak

  22. Common Emitter Current Gain (β) Breakdown (large reverse voltage) Nojun Kwak

  23. Saturation Mode 특성 (Switch에 주로 사용) * 자세한 내용은 Section 5.2.4를 참조 Nojun Kwak

  24. Overdrive factor: More on Saturation mode Nojun Kwak

  25. 전류 방향 Ebers-Moll model Large signal equivalent circuit BJT Summary Nojun Kwak

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