View
215
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Föreläsning 8 – Bipolära Transistorer I
2014-04-08 1 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
• Funktion bipolär transistor • Geometri npn • DC operation, strömförstärkning • Operationsmoder • Early-effekten • pnp transistor
G. Balla
Komponentfysik - Kursöversikt
2014-04-08 2 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
Ellära: elektriska fält, potentialer och strömmar
Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap
Laddningsbärare: Elektroner, hål och ferminivåer
Dopning: n-och p-typ material
pn-övergång: Inbyggd spänning och rymdladdningsområde
pn-övergång: strömmar
Optokomponenter
Bipolära Transistorer
MOSFET: laddningar
MOSFET: strömmar
Minnen: Flash, DRAM pn-övergång: kapacitanser
Ideal transistor – spänningsstyrd strömkälla
2014-04-08 3 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
k∙Vin Vin Vout
iin Iout
Vout
Iout +
-
•Tre-terminal komponent
Ideal Transistor •Inspänning: Vin
•Utström: Iout=k∙Vin - oberoende av Vout
•Vin oberoende av Vout – isolation!
Ökande Vin
+
-
•Hur konstruerar vi en bipolär transistor? •Varför behöver en transistor biaseras?
Npn-transistor från två pn-övergångar!
2014-04-08 4 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
Varför blir en npn-övergång en transistor? Vilken karakteristik förväntar vi oss?
Framspänd pn-övergång
2014-04-08 5 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
EFn
dp -dn
eUa
n=npo×exp(Ua/kT)
N
P
UA
I
Ua
Backspänd pn-övergång
2014-04-08 6 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
EFn
dp -dn
eUa
n=npo×exp(Ua/kT) n ≈ 0
N
P P N
𝑛𝑝 =𝑛𝑖
2
𝑁𝐴
UA
I
UA
I
Ua -|Ua|
Bipolär transistor: npn
2014-04-08 7 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
EFn
dp -dn
eUa
n=npo×exp(Ua/kT) n ≈ 0
N
P N
E B C
Framspänd emittor-bas Injecerar elektroner Styrs av UBE
Backspännd bas-kollektor ”Drar” ut elektroner : oberoende av UBC
IC
IB
Bipolär transistor: npn Elektron diffusionsströmmar
2014-04-08 8 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
IC
UCE
UCE ökar
UB
E ö
kar
Repetition - diffusionsströmmar
2014-04-08 9 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
dx
xdneAUI nTn
)( baxxn
In konstant:
n(0)
WB
n(WB)
)0()0()(
)( nxW
nWnxn
B
B
x
BB
B
W
n
W
nWn
dx
xdn )0(0)()(
n(0)>>n(WB)
npn bipolär transistor, geometri & dopningar
2014-04-08 10 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
N NDE P
NAB
N NDC
Emitter Bas Kollektor
NDE
NAB
NDC
Dopning Donator N-typ
Emitter
AcceptorP-typ
Bas
Kollektor
UBE
+ -
UBC
- +
WB WC WE
dx
xdneAUI
p
nTn
)(
dx
xdpeAUI n
pTp
)(
Aktiv Mod – Bas & Kollektorströmmar
2014-04-08 11 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
BCE
T
BE
DEE
ipT
B
T
BE
ABB
inTC
III
U
U
NW
neAUI
U
U
NW
neAUI
)exp(
)exp(
2
2
ABBp
DEEnFE
B
C
NW
NWh
I
I
UBC
UBE
Bas
Kollektor
Emitter
IC
IB
IE
Bas-emitter framspänd: Flyter både hål (bas) och elektron (kollektor) ström! Stor strömförstärkning: NAB < NDE. WB << WE
UCE
Gäller om UCE - UBE > 0 : Bas-kollektor ska vara backspänd!
Tunn bas! Låg basdopning!
Hög Emitterdopning!
Exempel – npn transistor i aktiv mod
2014-04-08 12 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
)exp(
)exp(
2
2
T
BE
DEE
ipT
B
T
BE
ABB
inTC
U
U
NW
neAUI
U
U
NW
neAUI
ABBp
DEEnFE
B
C
NW
NWh
I
I
Dopning & Geometri: NDE = 1025 m-3
NAB = 1024 m-3
NDC = 1023 m-3
A=104 µm2
WB = 0.5 µm, WE=WC= 5 µm
Konstanter: µn = 0.135 m2/Vs µp = 0.045 m2/Vs ni=1016 m-3
VT=25.6 mV
Spänningar: UCE = 1.7 V
• Beräkna !
Aktiv Mod – Två-port vid DC - Storsignal
2014-04-08 13 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
Kollektor
emitter
FIB
IB
UCE
IC
BC
T
BE
T
BE
DEE
ipT
B
II
U
UI
U
U
NW
neAUI
)exp()exp( 0
2
UBE
Samma I0 som för en diod
Bas
Kollektor – bas ska vara tillräckligt backspänd: UCE > UBE + 0.3 IC oberoende av UCE!
Bipolär transistor: npn – aktiv mod
2014-04-08 14 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
0 1 2 3 4
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
Vce
(V)
Kolle
kto
rstr
öm
(A
)
VBE=0.781V
VBE=0.798V
VBE=0.810V
VBE=0.816V
VBE=0.0V
UCE
UBC
UBE
Bas
Kollektor
Emitter
IC
IB
IE
UBE > 0.7V UCE-UBE > 0.2-0.3V
1 minuts öving – Termisk stabilitet
2014-04-08 15 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
CCE
T
BE
ABB
inTC
IUP
U
U
NW
neAUI
)exp(2
En bipolär transistor biaseras med UBE=0.7V vid T=300K • Ökar/Minskar strömmen om T ökar till 340K?
• Varför kan det leda till att transistorn går sönder?
Early-effekten – basviddsmodulation
2014-04-08 16 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
IC UBE
1 2
UCE
N NDE
P NAB
N NDC
Emitter Bas Kollektor
UBE = 0.7 V
WB,eff
UCE=5V
T
BE
U
U
effB
C eW
I,
1
UCE=20 V
Early-effekten – basviddsmodulation
2014-04-08 17 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014
IC UBE
1 2 -UA
UCE
0)1( C
A
CEC I
U
UI
UA - Earlyspänningen
Karakteriseras med UA : Earlyspänning Stor UA – låg utgångskonduktans (bra!)
𝑈𝐴 ∝ 𝑊𝐵 𝑁𝐴𝐵 Tjock bas!
Hög basdopning!
ABBp
DEEnFE
B
C
NW
NWh
I
I
Tunn bas! Låg basdopning!
Hög Emitterdopning! Högt och högt UA är svårt!
Operationsmoder
2014-04-08 18 Föreläsning 8, Komponentfysik 2013
UBE
UBC
Normal, Aktiv Mod
—Elektronkoncentration —Hålkoncentration
+UBE - +UBC - +UBE - +UBC -
Strypt
IC≈IB≈I0 ≈0 A
+UBE - +UBC -
Bottnad
+UBE - +UBC -
Inverterad
IB stor IC liten Ic beror på UBC
Bipolär transistor: bottnad
2014-04-08 19 Föreläsning 8, Komponentfysik 2013
0 1 2 3 4
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
Vce
(V)
Kolle
kto
rstr
öm
(A
) IB = 3 mA
IB =2 mA
IB = 1mA
Strypt IB ≈ 0mA
UBE > 0.6V
UCE > 0.2V
pnp bipolär transistor, geometri
2014-04-08 20 Föreläsning 8, Komponentfysik 2013
P NAE N
NDB
P NAC
Emitter Bas Kollektor
VBE < 0 VBC > 0
IE IC
IB
Aktivt Mod: UBE < 0 UBC > 0 UCE < 0 IE flyter in i emittern IC flyter ut ur kollektorn
Strömmar: pnp transistor i aktiv mod
2014-04-08 21 Föreläsning 8, Komponentfysik 2013
)exp(
)exp(
2
2
T
BE
AEE
inTB
T
BE
DBB
ipT
C
U
U
NW
neAUI
U
U
NW
neAUI
DBBn
AEEp
FENW
NWh
ABBp
DEEnnpn
DBBn
AEEp
pnp
NW
NW
NW
NW
Alla halvledare har
µn > µp
PNP har alltid sämre prestanda än NPN!
Kisel: pnp / npn ≈ 0.1
Recommended