전자 회로 1Lecture 9 (BJT)
2009. 05.임한조
아주대학교 전자공학부[email protected]
이 강의 노트는 전자공학부 곽노준 교수께서 08.03 에 작성한 것으로 노트제공에 감사드림 .
May 2008 Nojun Kwak 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
May 2008 Nojun Kwak 3
Bipolar Junction Transistor (BJT)
3 개의 terminals (nodes) : Base / Emitter / Collector 일반적인 해석 : voltage controlled current source (VBE 로 IC 를 제어 ) 2 junctions: EBJ / CBJ
capacitance 성분 – high freq. modeling 에서 중요하게 다루어짐 Diode (2 node device) 보다 훨씬 유용
Signal amplification (analog circuit) Digital logic & memory circuits (digital circuits)
요즘에는 MOS (metal oxide semiconductor) transistor 로 대체되는 추세 그러나 여전히 중요 ( 응답이 빠르기 때문 – 많은 전류를 흘릴 수 있음 )
NPN type
May 2008 Nojun Kwak 4
Doping, Types & Symbols
Emitter 가 Collector/Base 보다 훨씬 많이 도핑됨 Base 영역의 길이가 상당이 짧음
Type: NPN / PNP NPN type:
주된 전류는 electron 을 통해 흐름 PNP type:
주된 전류는 hole 을 통해 흐름
E(n+) B(p) C(n-)
npn type
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4 Modes of Operation
Mode EBJ CBJ
Cutoff Reverse Reverse
(Forward) Active Forward Reverse
Reverse Active Reverse Forward
Saturation Forward Forward
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(Forward) Active mode 에서의 동작
Notation: VXY = VX - VY
VBE 0.7V (forward bias), V≃ CB > -0.3V (reverse bias) 동작
EBJ 가 forward bias 이므로 emitter 에서 base 로 electron 을 제공 (약간의 hole 이 base 에서 emitter 쪽으로 흐름 , why??)
Base 영역이 짧으므로 E 에서 제공된 electron 들은 대부분 B 에서 재결합하지 못하고 CBJ depletion 영역에 도달 (CBJ 넓이 >> EBJ 넓이 )
이렇게 CBJ depletion 영역에 도달한 electron 들은 모두 C 로 빨려들어감 (drift, reverse bias 이므로 )
May 2008 Nojun Kwak 7
Diffusion current (EBJ)
EBJ (forward bias) 에서의 전류 ND (Emitter) > NA (Base) 이므로 전류는 주로 electron 에 의해 흐름 Diffusion current >> Drift current (forward bias 이므로 )
Electron 의 Diffusion 만을 생각해 보자 .
(Exponential 을 직선으로 approximation)
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Collector Current
B 에 inject 된 minority carrier (electron) 들은 B 가 매우 짧으므로 대부분 재결합 못하고 EBJ 에 도달 (Diffusion 에 의해 )
Depletion 영역 안에서 자생적으로 생겨나는 electron/hole pair 의 개수는 B 에서 inject 되는 electron 수에 비해 무시할 만한 수준
Saturation (Scaling) current:
---
B C----
+++
+++
E-field
전자이동방향
+-
p n
(VCB 와 상관없이 ) 온도에 매우 민감
May 2008 Nojun Kwak 9
Base Current
Base current 를 이루는 두 성분1. EBJ 가 Forward Bias 이므로 B 에서 E 로 hole 들이 inject (ND << NA
므로 E 에서 B 로 inject 되는 electron 수보다는 무시할 수준이지만 iB 가 작으므로 이를 고려 )
2. B 가 짧아 E 에서 inject 된 대부분의 electron 이 C 에 도달하지만 일부는 majority carrier (hole) 과 재결합 (E 에서 B 로 inject 되는 electron 수가 많으므로 이를 고려 )
Total Base Current
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Beta (Common Emitter Current Gain)
Base 전류 (input) 와 Collector 전류 (output) 의 비율
Beta 는 트랜지스터의 고유한 값 Typical value: 약 50~200 ( 보다 커질 수 있다 .) 클수록 좋음 Common Emitter Current Gain 이라 부르기도 함 . (Why?) W (B 의 길이 ) 가 작을수록 ND(Emitter)/NA(Base) 가 클수록
커짐
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Emitter Current & Alpha
Emitter 전류는 iB 와 iC 의 합
α: Common Base Current Gain (Why?) 보통 0.99 정도 (1 보다 작은 값 , 크면 클수록 좋음 ) What if α=1?
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Equivalent model for Forward Active Mode
Large signal model (bias 를 잡기 위함 )
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electron flow
Reverse Active Mode
E 와 C 의 역학이 바뀜 (EBJ: reverse / CBJ: forward) Collector 에서 제공된 minority carrier 인 전자가 Base 에서
일부 재결합 , 일부는 그대로 Base-metal contact 을 통해 빠져나가고 Emitter 에는 50% 이하가 도달함 .
αR < 0.5, βR < 1 (EBJ 영역의 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
/ V/ V (5.34)BC TBE T SC S
R
Ii I e e
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The PNP Transistor
주로 hole 에 의해 전류가 흐름 Forward active: VEB > 0, VBC > 0
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The Ebers-Moll (EM) Model 모든 mode 에 적용가능
(5.21)E DE R DCi i i (5.22)C DC F DEi i i
1 1 (5.23)B F DE R DCi i i
/ V 1 (5.24)BE TDE SEi I e
/ V 1 (5.25)BC TDC SCi I e
/ V/ V 1 1 (5.27)BC TBE T SC S
R
Ii I e e
/ V/ V 1 1 (5.28)BC TBE TS SB
F R
I Ii e e
/ V/ V 1 1 (5.26)BC TBE TSE S
F
Ii e I e
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전류 - 전압 특성 (forward active mode)
C
B
E
1
α1-α
C
B
E
β+1
β1
β = 100, α = 0.99 ≃ 1
0.7V 0.7V
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iC – vCB 특성곡선 (common-base)
/ V1 (5.35)BC T
C F E S FR
i I I e
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iC – vCE 특성곡선 (Common Emitter)
May 2008 Nojun Kwak 20
The Early Effect
reverse bias (CBJ) 증가 depletion 영역 증가 effective Base width 감소 전류 증가
/ V
A
1 (5.36)V
BE T CBC Si I e
Early voltage ~ 100V
ro
1
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Output resistance seen at Collector
1
=constant
(5.37)BE
Co
CE
ir
AV V (5.38)CE
oC
rI
AV (5.38a)o
C
rI
/ V (5.38b)BE TC SI I e’
May 2008 Nojun Kwak 22
Common Emitter Current Gain (β)
(5.39)CQdc
BQ
I
I
CE constant
(5.40)Cac
B
i
i
Breakdown (large reverse voltage)
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Saturation Mode 특성 (Switch 에 주로 사용 )
forced (5.41)Csat
B
I
I
forced F (5.42)
(5.43)B B
C Csat
CECEsat
i ICi I
Ri
* 자세한 내용은 Section 5.2.4 를 참조
May 2008 Nojun Kwak 24
More on Saturation mode
Overdrive factor:
May 2008 Nojun Kwak 25
BJT Summary 전류 방향
Ebers-Moll model
Large signal equivalent circuit