Föreläsning 8 - ftf.lth.se · Npn-transistor från två pn-övergångar! 2014-04-08 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014 4 Varför blir en npn-övergång en transistor? Vilken karakteristik

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


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


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!


Varför blir en npn-övergång en transistor? Vilken karakteristik förväntar vi oss?

Framspänd pn-övergång


EFn

dp -dn

eUa

n=npo×exp(Ua/kT)

N

P

UA

I

Ua

Backspänd pn-övergång


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


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


IC

UCE

UCE ökar

UB

E ö

kar

Repetition - diffusionsströmmar


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


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


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


)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


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


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


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


IC UBE

1 2

UCE

N NDE

P NAB

N NDC


UBE = 0.7 V

WB,eff

UCE=5V

T

BE

U

U

effB

C eW

I,

1

UCE=20 V

Early-effekten – basviddsmodulation


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


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


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


P NAE N

NDB

P NAC


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


)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

Sammanfattning


, hfe: Strömförstärkning NAB – Acceptor dopning Bas (m-3) NDE – Donatordopning emitter (m-3) NDC – Donatordopning kollektor (m-3) UA – Earlyspänning (V)

Documents

Föreläsning 8 - ftf.lth.se · Npn-transistor från två pn-övergångar! 2014-04-08 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014 4 Varför blir en npn-övergång en transistor? Vilken karakteristik