전자 회로 1 Lecture 9 (BJT)

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


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


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


4 Modes of Operation

Mode EBJ CBJ

Cutoff Reverse Reverse

(Forward) Active Forward Reverse

Reverse Active Reverse Forward

Saturation Forward Forward


(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 )


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)


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


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


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


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?


Equivalent model for Forward Active Mode

Large signal model (bias 를 잡기 위함 )


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


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


The PNP Transistor

주로 hole 에 의해 전류가 흐름 Forward active: VEB > 0, VBC > 0


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


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


iC – vCB 특성곡선 (common-base)

/ V1 (5.35)BC T

C F E S FR

i I I e


iC – vCE 특성곡선 (Common Emitter)


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


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’


Common Emitter Current Gain (β)

(5.39)CQdc

BQ

I

I

CE constant

(5.40)Cac

B

i

i

Breakdown (large reverse voltage)


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


More on Saturation mode

Overdrive factor:


BJT Summary 전류 방향

Ebers-Moll model

Large signal equivalent circuit

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