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電子回路Ⅰ 4 1
電子回路Ⅰ第3回
電子回路Ⅰ 4 2
講義内容
1. 半導体素子(ダイオードとトランジスタ)
2. 基本回路
3. 増幅回路
トランジスタ
・ 基本構造
・ 基本動作
動作原理
増幅作用
・ 静特性
電子回路Ⅰ 4 3
ダイオード(2端子素子)
トランジスタ(3端子素子)
・ バイポーラトランジスタ (Bipolar)
・ 電界効果トランジスタ (FET)
・ 接合形 (JFET) ・ MOS形(MOSFET)
半導体素子(ダイオードとトランジスタ)
電子回路Ⅰ 4 4
pn接合
p n
キャリア濃度差
電子の数>正孔の数 多数キャリア:電子 少数キャリア:正孔
電子の数<正孔の数 多数キャリア:正孔 少数キャリア:電子
拡散によりキャリアが移動
pn接合
p n
正孔
電子
電子回路Ⅰ 4 5
空乏層
p n
- - - - - - -
+ + + + + + +
- - - - - - -
+ + + + + + +
ドナーイオン 正電荷
アクセプタイオン 負電荷
p n
空乏層 (キャリアがほとんど存在しない領域)
+ + + + + + +
接合面
電界
※ アクセプタイオンやドナーイオンは 固定されており、移動できない。
電子回路Ⅰ 4 6
pn接合とバイアス電圧
p n
空乏層
FV
p n
空乏層
RV
順方向電圧
逆方向電圧
電子回路Ⅰ 4 7
順方向電圧(Forward Bias Voltage)
p n
空乏層
FV
電位
xnFxpFx− 0
bVFV
電位障壁が低くなる
電流が多く流れる
電子回路Ⅰ 4 8
逆方向電圧(Reverse Bias Voltage)
電位
xnRxpRx− 0
bVRV
p n
空乏層
RV
電位障壁が高くなる
電流がほとんど流れない
( )2/1
112
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
+=+=
DA
RbnRpR NNq
VVxxw ε
w
電子回路Ⅰ 4 9
pn接合ダイオード(順方向バイアス)
p n
空乏層
FV
正孔 電子
伝導帯
価電子帯
正孔
電子
少数キャリアの注入
電子の数>正孔の数 多数キャリア:電子 少数キャリア:正孔
電子の数<正孔の数 多数キャリア:正孔 少数キャリア:電子
電子回路Ⅰ 4 10
p n
空乏層
RV
伝導帯
価電子帯
電位障壁が高くなる
pn接合ダイオード(逆方向バイアス)
電流がほとんど流れない
空乏層が広がる
電子回路Ⅰ 4 11
pn接合ダイオードの電流-電圧特性
伝導帯
価電子帯
正孔
電子
少数キャリアによる拡散電流
少数キャリア:正孔 拡散電流
少数キャリア:電子 拡散電流
ダイオード電流は、 電子の拡散電流と正孔の拡散電流の和
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=+= 11 00 kT
qV
p
ppkTqV
n
pnpn
FF
eLpqD
eLnqD
JJJp
pp
n
pns L
pqDLnqD
J 00 +=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−= 1kT
qV
s
F
eJJダイオードの電流密度
ここで、 Dn と Dpは、それぞれ電子と正孔の拡散係数、 Ln とLp は拡散長である。
詳しくは、参考書 「基礎電子回路工学 –アナログ回路を中心に-」、松澤昭(著)、オーム社を参照のこと
電子回路Ⅰ 4 12
pn接合ダイオードの電流-電圧特性
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−= 1kT
qV
s
F
eJJ
FVRV
順方向 逆方向
指数関数
J
FVRV
順方向 逆方向
bV
ダイオード特性 近似モデル
J
電子回路Ⅰ 4 13
バイポーラトランジスタ(Bipolar)
トランジスタ
電界効果トランジスタ(FET)
・ 接合形 (JFET) ・ MOS形(MOSFET)
電子回路Ⅰ 4 14
p+ n+
npn型 pnp型
n+ n+ p+ p+
基板
n n p p p n
B B C E E C
n+
n+
B B E E C C
バイポーラトランジスタの構造
P
電子回路Ⅰ 4 15
バイポーラトランジスタの構造
n p
pn接合
n
pn接合
npn形トランジスタ
C E
B
DCABDE NNN >>
不純物のドーズ量
ベースは非常に薄く形成される
p n
pn接合
p
pn接合
pnp形トランジスタ
C E
B
ACDBAE NNN >>
不純物のドーズ量
ベースは非常に薄く形成される
電子回路Ⅰ 4 16
バイポーラトランジスタの基本動作
n p n
npn形トランジスタのバイアス
C E
B
RVFVBE間 順方向電圧
CB間 逆方向電圧
電子回路Ⅰ 4 17
バイポーラトランジスタの基本動作
p n p
pnp形トランジスタのバイアス
C E
B
RVFVEB間 順方向電圧
BC間 逆方向電圧
電子回路Ⅰ 4 18
C E
B
RVFVBE間 順方向電圧
CB間 逆方向電圧
バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタの動作
正孔
電子 電子
電子の注入
拡散と再結合
※ 空乏層は考慮していない
電子回路Ⅰ 4 19
バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタの動作 (1)
C E B
① 電子の注入
電子
※ 空乏層は考慮していない
電子回路Ⅰ 4 20
バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタの動作(2)
C E B 正孔
① 電子の注入
電子
② 電子の拡散
③ 一部の電子は正孔と 再結合
※ 空乏層は考慮していない
ベースは非常に薄い
電子回路Ⅰ 4 21
バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタの動作
C E
① 電子の注入
電子 電子
② 電子の拡散
③ 一部の電子は正孔と 再結合
※ 空乏層は考慮していない
④ 電子が通り抜ける
B 正孔
ベースは非常に薄い
電子回路Ⅰ 4 22
C E
B
RVFVBE間 順方向電圧
CB間 逆方向電圧
バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタのキャリアの流れ
電子 電子
正孔
電子回路Ⅰ 4 23
バイポーラトランジスタの基本動作 npn形トランジスタの電流
EIBI CI
CBE III +=
n p n C E
B
RVFVBE間 順方向電圧
CB間 逆方向電圧
電子回路Ⅰ 4 24
バイポーラトランジスタのバイアス方法 ベース接地 (Common Base)
EI CI
共通端子
BI
n p n C E
B
CBVBEVBE間 順方向電圧
CB間 逆方向電圧
電子回路Ⅰ 4 25
バイポーラトランジスタのバイアス方法
CEV
BEV
EI CI
エミッタ接地 (Common Emitter)
共通端子
0<⇒< CBCEBE VVVCB間 逆方向電圧
n p n C E
B
BE間 順方向電圧
電子回路Ⅰ 4 26
二端子対回路(四端子回路)
1V 2V
1I 2I
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
2
1
2221
1211
2
1
II
ZZZZ
VV
⎩⎨⎧
+=
+=
2221212
2121111
IZIZVIZIZV
02
222
01
221
02
112
01
111
12
12
,
,
==
==
==
==
IV
IV
IVZ
IVZ
IVZ
IVZ
例えば、以下のブラックボックスの回路があるとき、入出力の電圧と電流との関係を考える
※ 二端子対回路について詳しくは、3年前期「電気回路Ⅳ」で学習する。
電子回路Ⅰ 4 27
hパラメータ
h 1V 2V
1I 2I
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
2
1
2221
1211
2
1
VI
hhhh
IV
⎩⎨⎧
+=
+=
2221212
2121111
VhIhIVhIhV
二端子対回路(四端子回路)
02
222
01
221
02
112
01
111
12
12
,
,
==
==
==
==
IV
IV
VIh
IIh
VVh
IVh
O
F
R
I
hhhhhhhh
→
→
→
→
22
21
12
11
電子回路Ⅰ 4 28
トランジスタとhパラメータ
h 1V 2V
EI CI
ベース接地回路
02
222
01
221
02
112
01
111
12
12
,
,
==
==
==
==
IV
IV
VIh
IIh
VVh
IVh
OB
FB
RB
IB
hhhhhhhh
→
→
→
→
22
21
12
11
h 1V 2V
BI CI
02
222
01
221
02
112
01
111
12
12
,
,
==
==
==
==
IV
IV
VIh
IIh
VVh
IVh
OE
FE
RE
IE
hhhhhhhh
→
→
→
→
22
21
12
11
エミッタ接地回路
※ hパラメータについて詳しくは第6回の講義で。教科書 pp.69-75 を参照のこと。
電子回路Ⅰ 4 29
パラメータの表記方法
小文字 ・ 交流成分 ・ 小信号成分
ci mg
大文字 ・ 直流成分 ・ 大信号成分
CEV CI
大文字 + 小文字 ・ 直流成分 + 交流成分
fF hh ⇔fhFh abh
rfoi ,,,ecb ,,
RFOI ,,,ECB ,,
cI Ci
電子回路Ⅰ 4 30
バイポーラトランジスタの電流増幅率
CBE III +=
E
CFB I
Ih ==α
B
CFE I
Ih == β
ベース接地直流増幅率
エミッタ接地直流増幅率
FB
FB
E
C
E
C
CE
C
B
CFE h
h
IIII
III
IIh
−=
−=
−==
11 αα
β−
=1
電子回路Ⅰ 4 31
バイポーラトランジスタの電流-電圧特性
CI
CEV0
↑BI
傾きゼロ; 無限の出力抵抗
電子回路Ⅰ 4 32
アーリー効果(ベース幅変調効果)
CI
CEV0
↑BI
傾きがゼロではない; 有限の出力抵抗
電子回路Ⅰ 4 33
アーリー電圧
CI
CEV0AV
アーリー効果 ・ 増幅器の利得 ・ 電流源の定電流性 に影響を及ぼす
アーリー電圧
[V] 100 10−≈AV
傾きがゼロではない → 外挿
電子回路Ⅰ 4 34
電界効果トランジスタ(FET)
接合形(JFET) pn接合
MOS形(MOSFET)
MOS構造
電子回路Ⅰ 4 35
JFETの構造
p
pチャネルJFET
S D
G
n
n
n
nチャネルJFET
D S
G
p
p
電子回路Ⅰ 4 36
N-well
n+ n+ p+ p+
P-substrate
N-well
S D D S G G
B
MOSトランジスタの構造
NMOS PMOS
電子回路Ⅰ 4 37
n
MOS構造
p
金属(Metal)
酸化膜(Oxide)
半導体(Semiconductor)