Chapter 4 Physics of Bipolar Transistors

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1 Chapter 4 Physics of Bipolar Transistors
4.1 General Considerations 4.2 Structure of Bipolar Transistor 4.3 Operation of Bipolar Transistor in Active Mode 4.4 Bipolar Transistor Models 4.5 Operation of Bipolar Transistor in Saturation Mode 4.6 The PNP Transistor

2 Bipolar Transistor 이 장에서는, bipolar transistor의 물성과 대신호 및 소신호 모델을 유도할 예정임 CH4 Physics of Bipolar Transistors

3 4.1 General Considerations Voltage-Dependent Current Source
전압 종속 전류원은 증폭기로 동작가능 KRL > 1이면, 신호는 증폭됨 CH4 Physics of Bipolar Transistors

4 Voltage-Dependent Current Source with Input Resistance
입력저항에 관계 없이, 증폭의 크기는 유지됨 CH4 Physics of Bipolar Transistors

5 Exponential Voltage-Dependent Current Source
이상적으로, bipolar transistor는 이렇게 모델링 할 수 있음. CH4 Physics of Bipolar Transistors

6 4.2 Structure of Bipolar Transistor
Bipolar transistor는 3개의 도핑된 Si 영역으로 이루어진 sandwich로 볼 수 있음. 바깥쪽 2개 영역은 같은 극성으로 도핑되며 중간 영역은 반대극성으로 도핑됨 CH4 Physics of Bipolar Transistors

7 Injection of Carriers + -
VR + - The voltage here actually forward bias the PN junction, and there’s no 4.6a), just 4.6. 역방향 PN junction은 큰 전기장을 생성하며 이는 주입된 소수 캐리어를 다수 캐리어 영역으로 보냄. 이 능력이야말로 bipolar transistor의 동작을 위하여 매우 중요함 CH4 Physics of Bipolar Transistors

8 4.3 Forward Active Region Forward active 영역: VBE > 0, VBC < 0.
(b)는 (a)를 틀리게 모델링한 것임 CH4 Physics of Bipolar Transistors

9 정확한 Bipolar 표현 Collector가 base로 부터 주입된 캐리어에 의하여 전류를 만듦
자유전자에 의한 전류 흐름이 많아야 함 CH4 Physics of Bipolar Transistors

10 Carrier Transport in Base
확산에 의한 캐리어 전송 Drift 전류는 무시할 정도임 (Base 영역이 작으므로) CH4 Physics of Bipolar Transistors

11 4.3.1 Collector Current 확산법칙을 적용하여, 전하가 base를 거쳐 collector까지 도달함을 알 수 있음 위 식에서 보면 transistor는 사실 voltage-controlled 요소이며 증폭기로서 좋은 후보임 CH4 Physics of Bipolar Transistors

12 식 (2.96)과 (2.69)로 부터 식 (2.42) 및 식 (4.5)로 부터

13 Ex 4.2) Parallel Combination of Transistors
2 transistor가 병렬로 연결되고 모든 3 단자에 같은 전위를 공급하면, emitter 단면적이 2배가 되는 single transistor 로 등가시킬 수 있음. CH4 Physics of Bipolar Transistors

14 Ex 4.5) Simple Transistor Configuration
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15 Constant Current Source (정전류원)
이상적으로, collector 전류는 collector-emitter 전압 (VCE)과 무관함. VBE가 일정할 때, 이 특성이 transistor로 하여금 정전류원으로 동작하게 함 CH4 Physics of Bipolar Transistors

16 Base Current Base 전류는 두 가지로 구성됨 1) emitter로의 hole 역주입, 2) hole과 emitter로 부터 들어오는 전자의 재결합 Base 전류는 이를 위하여 hole을 공급  IB를 IE(or IC)의 일정비율로 볼 수 있음 β: current gain (50 ~ 200) CH4 Physics of Bipolar Transistors

17 Emitter Current KCL을 적용하여 Emitter 전류 (IE)를 쉽게 구할 수 있음
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18 Summary of Currents CH4 Physics of Bipolar Transistors

19 4.4 Bipolar Transistor Large Signal Model
Diode가 base와 emitter 사이에 놓이고, 전압제어 전류원은 collector와 emitter 사이에 위치시킴 CH4 Physics of Bipolar Transistors

20 Ex 4.7) Maximum RL RL 이 증가하면, Vx 는 떨어지고 결국 collector-base junction을 순방향으로 만든다.  Transistor를 forward active 영역에서 벗어나게 함 그러므로, 최대 허용 Collector 저항이 존재함 CH4 Physics of Bipolar Transistors

21 4.4.2 Characteristics of Bipolar Transistor
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22 Ex 4.8) IV Characteristics
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23 4.4.3 Transconductance Transconductance (gm) 는 transistor가 전압-전류 변환을 잘 하는지를 재는 척도 gm 은 회로설계에서 가장 중요한 Parameter 임. CH4 Physics of Bipolar Transistors

24 Visualization of Transconductance
gm 은 IC/VBE 의 기울기 큰 IC 는 큰 기울기를 보이고 결국 큰 gm CH4 Physics of Bipolar Transistors

25 Ex 4.9) Transconductance and Area
Transistor의 면적이 n배 되면, IS는 n배가 됨. 일정한 VBE에서는 IC 와 gm 역시 n 배가 됨 CH4 Physics of Bipolar Transistors

26 Transconductance and Ic
주어진 VBE swing에서는, IC2 근처의 전류 변화는 IC1 근처보다 큼  gm 이 IC2에서 크기 때문 CH4 Physics of Bipolar Transistors

27 4.4.4 Small-Signal Model: Derivation
Controlled source 또는 저항을 사용하여 결과를 나타낸다. CH4 Physics of Bipolar Transistors

28 Small-Signal Model: VBE Change
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29 Small-Signal Model: VCE Change
이상적으로는, VCE 는 Collector 전류에 아무 영향이 없다. 그러므로 소신호 모델에 영향을 안 줌 VCB 또한 소신호 모델에 영향 없음 CH4 Physics of Bipolar Transistors

30 Ex 4.10) Small Signal 소신호 Parameter는 DC 동작점을 이용하여 계산하고 VBE 변화에 의한 Collector 전류의 변화를 계산한다. CH4 Physics of Bipolar Transistors

31 Ex 4.11) Small Signal 전원과 collector 사이에 저항 설치  출력 전압 제공
1 mV mic 입력 증가  출력은 ? CH4 Physics of Bipolar Transistors

32 Ex 4.12) Small Signal RC를 200 Ω으로 증가시키고 VCC = 3.6V
Vout = VCC – ICRC = 2.216V

33 AC Ground 전원 전압은 시간에 따라서 변하지 않으므로, 소신호 해석에서는 ground로 취급함
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34 4.4.5 Early Effect Collector 전류가 VCE 와 무관하다는 것은 정확하지 않음
VCE 가 증가하면, Base-Collector간 공핍 영역이 커짐. 그러므로, 유효 base 폭은 감소  collector 전류 증가  Early effect CH4 Physics of Bipolar Transistors

35 Early Effect Illustration
Early effect에 의하여, collector 전류는 이상적인 경우보다 증가하고 VCE의 함수가 됨 CH4 Physics of Bipolar Transistors

36 Early Effect Representation
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37 Ex 4.13)

38 Early Effect and Large-Signal Model
Early effect는 단순히 Collector 전류에 correction factor 를 추가하여 large-signal model로 설명이 가능 이 model에서, base 전류는 변하지 않음. CH4 Physics of Bipolar Transistors

39 Early Effect and Small-Signal Model
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40 Early effect  “rO” 포함 rO는 high-gain 증폭기에서 큰 역할을 함

41 Ex 4.14) IC = 1mA, β = 100, VA = 15V

42 Summary of concepts CH4 Physics of Bipolar Transistors

43 4.5 Bipolar Transistor in Saturation
Collector 전압이 Base 전압 아래로 떨어지고 C-B 간 순방향이 되면, base 전류 증가   (= current gain)는 감소. Saturation 영역 CH4 Physics of Bipolar Transistors

44 Large-Signal Model for Saturation Region
IC의 감소 Open collector CH4 Physics of Bipolar Transistors

45 Overall I/V Characteristics
BJT의 속도 또한 Saturation에서 감소됨 (11장에서 다시) CH4 Physics of Bipolar Transistors

46 Ex 4.16) Acceptable VCC Region
BJT가 적어도 soft saturation region에 있으려면, collector 전압은 base 전압 V 보다 커야 함 VCC 와 RC 사이 선형관계가 보이고 acceptable region을 선택할 수 있음. CH4 Physics of Bipolar Transistors

47 Deep Saturation deep saturation 영역에서는, transistor는 전압-제어 능력을 잃고 VCE 는 상수가 됨. CH4 Physics of Bipolar Transistors

48 4.6 PNP Transistor emitter, collector, 및 base의 극성이 바뀌면, PNP transistor가 됨. NPN에게 적용된 모든 원리가 또한 PNP에 적용이 되고, 다만 emitter 는 base 보다 높은 전위를, base는 collector 보다 높은 전위를 띰. CH4 Physics of Bipolar Transistors

49 NPN과 PNP Transistor의 비교
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50 PNP Equations Early Effect CH4 Physics of Bipolar Transistors

51 4.6.2 Large Signal Model for PNP
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52 Ex 4.17) PNP Biasing CH4 Physics of Bipolar Transistors

53 Ex 4.18) Small Signal Analysis
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54 4.6.3 Small-Signal Model for PNP Transistor
PNP transistor 의 소신호 모델은 정확하게 NPN과 같음. 전류방향이 VBE 극성에 의하여 결정되므로 이는 실수가 아님 CH4 Physics of Bipolar Transistors

55 Ex 4.19) Small-signal impedance

56 4.6.3 Small Signal Model Example I
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57 Small Signal Model Example II
앞 장의 소신호모델과 같음. CH4 Physics of Bipolar Transistors

58 Small Signal Model Example III
소신호 해석시에는, 정전압은 AC ground로 바꾸며, 최종 소신호 모델은 앞의 두 회로와 같음. CH4 Physics of Bipolar Transistors

59 Ex 4.21) Small Signal Model CH4 Physics of Bipolar Transistors