Föreläsning 9 Bipolära Transistorer II

Transkript

1 Föreläsning 9 ipolära Transistorer Funktion bipolär transistor Småsignal-modell Hybrid-p Designparametrar 1

2 Komponentfysik - Kursöversikt ipolära Transistorer pn-övergång: kapacitanser Optokomponenter pn-övergång: strömmar Minnen: Flash, DRAM MOSFET: strömmar MOSFET: laddningar pn-övergång: nbyggd spänning och rymdladdningsområde Dopning: n-och p-typ material Laddningsbärare: Elektroner, hål och ferminivåer Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap Ellära: elektriska fält, potentialer och strömmar

3 n,p ipolär transistor Aktiv mod E N P N E = + N P N +V E +V +0.7V -1.0V x eaut nn W N µ µ n p V E > 0.7 V för stor ström V > 0 V : backspänd övergång 3 N N DE A A F i W W E U exp( U E T )

4 n,p ipolär transistor ottnad mod E N P N E = + 1 N P N = cn - +V E +V +0.7V +0.5V Framspänd bas-kollektorövergång - ökad basström, lägre elektronström minskar Transistorn får lägre förstärkning! x V E > 0.7 V för stor ström V < 0.5 V : stor hål-läckström till kollektorn 4

5 n,p ipolär transistor strypt mod E E = + N P N ~ 0 N P N ~ 0 ~ 0 +V E +V -0.1V -0.3V ackspänd bas-kollektorövergång och basemitterövergång ngen injecerad laddning ~ E ~ 0 0 x V E > 0.0 V V < 0.0 V 5

6 ipolär transistor - operationsområden 6 5 Aktiv V E =0.740 V =50 µa Aktiv Mod: Kollektorström (ma) 4 3 V E =0.734 V V E =0.77 V V E =0.717 V =40 µa =30 µa =0 µa V E ~ 0.7V V E > 0.V = 1 V E =0.699 V =10 µa V E =0.0 V =0 A V ce (V) Strypt 6

7 Småsignal bipolär transistor: hybrid-p as + R + µ Kollektor u in Emittor - u be π r π - g m u be r 0 Emittor Känns igen från analogelektroniken! Varifrån kommer de olika passiva och aktiva elementen? Vad sätter storlekarna på de olika elementen? 7

8 Utarmningskapacitanser: j, je Emittor as Kollektor µ π je j N A > N D je r A d 0 r 0 tot, be A U bi E en U A E U E ~ 0.7V U ~ -1 V j r 0A d tot, bc A r 0eN U U bi D j E > j 8

9 Diffusionskapacitans: diff,e Emittor as Kollektor µ π diff,e W Enbart mellan bas-emittor dv E Ändrar mängden laddning i basen: diffusionskapacitans Dominerande vid stora strömmar diff, E W U t n 9

10 Kapacitanser: p och µ p je diff, E j π µ p : Summa av diffusionskapacitans och utarmningskapacitans µ : Utarmningskapacitans 10

11 ngångsresistans: r p + D i : Småsignal u be - r p d u E 0 0 du E 1 r p u E eau T pni U E exp( ) W N U E DE t r p U t U r U U r p E i E E p r p t u 11

12 Transkonduktans: g m u be - + r p i i d du E u E eau T nn W N A i g m u E U exp( U E T ) g m U t r p U E U g m E i g m u be g m 1

13 Utgångskonduktans: g o Kollektorström (ma) eau T nn W N A i Högre U E W minskar (basviddsmodulation) U A U exp( U E T ) u be - r 0 + du d ce c r p U U A Earlyspänningen (50-100V) Högre basdopning N A : Större U A Mindre strömförändring A V ce (V) 13

14 asresistans: R E W L R u be - Resistivitet: + r p en 1 A p R 1 3 L A 3W L e N A p L R Tunn bas, låg N A Hög basresistans! Väldesignad JT har en låg basresistans. 14

15 minuters övning Hur ser hybrid-p modellen ut för en bipolär transistor i strypt mod? (U E < 0, U E > 0) + as Kollektor u in u ut - Emittor Emittor 15

16 Högfrekvensegenskaper - strömförstärkning V E Små-signal schema: V E i b µ L bias L bias i + c i b u be r p π i c v E bias bias Signal vid höga frekvenser: bias = kortslutning L bias = avbrott h - g m u be FE r p g m Maximal strömförstärkning: ( ) i i c b ( ) ( ) 16

17 Högfrekvensegenskaper - strömförstärkning h fe ( ) i i c b ( ) ( ) h fe 1 ( ) r p p -3d / 1 1 f 3d f T log (f) 17

18 Högfrekvensegenskaper - strömförstärkning h fe ( ) 1 ( p ) r p h fe -3d f 3d 1 p je j diffe r p / 1 f t p je g m j diffe 1 f 3d f T log (f) 18

19 Log () Parasiteffekter U E hög c stor Högnivåinjektion i basen o n(0) > N A. Långsam ökning av lägre Kvasi-bottning o skapar spänningsfall över den neutrala delen av kollektorn. as-kollektor övergången blir framspännd lägre. U E liten c liten Rek. RLO Normal Högnivå Kvasi-bottning U E Rekombination av elektroner/hål i bas-emitter rymdladdningsområdet. Få elektroner tar till till basen låg och. U19 E

20 Maximal Spänning - Lavingenombrott V EO U bi, εbr r 0 e N D Sätter den maximala spänningen över transistorn Minsta spänningen ges av mättnadsspänningen. U E, min U E, max V EO V E Ger transistorns arbetsområde som förstärkare 0

21 HT:er mikroelektronik - nanoelektronik Diskreta komponenter Modern, integrerad SiGe-HT E 500nm f t ~ 300 MHz ~ U R ~ 80V f t ~ 300 GHz ~ 800 U R ~ V Föreläsning 8, Komponentfysik 013 1

22 np/ngaas Heterobipolar Transistor Thickness (nm) Material Doping cm -3 Description Emitter ollector Sub collector (n++) S.. np ase 30 n 0.53 Ga 0.47 As : Si Emitter cap 10 n 0.53 Ga 0.47 As : Si Emitter 60 np : Si Emitter 10 np : Si Emitter 0 np : Si Emitter ngaas : ase 5.0 n 0.53 Ga 0.47 As : Si Setback 11 ngaas / nalas : Si - Grade 3 np : Si Pulse doping 51 np : Si ollector 5 np : Si Sub ollector 5 n 0.53 Ga 0.47 As : Si Sub ollector 300 np : Si Sub ollector Substrate S : np µ n ngaas > µ n Si N A = 50 N DE (!!) Lecture 9, High Speed Devices 013

23 Nanoelektronik f t > 500 GHz MAG/MSG Gains (d) U e = ma, V ce =1.45V J e =16 ma/m, V cb =0.4V H 1 f t, f max =560 GHz Frequency (Hz) Mitt världsrekord från 007 idag har de bästa transistorerna f t > 700 GHz, och f max (effektförstärkning) > 1 THz. Ni kan lära er detaljerna i fortsättningskursen Höghastighetselektronik. 3

24 Nanoelektronik f t > 700 GHz f t g m diff X n Tunn bas (~ 10-0 nm) Hög mobilitet andra material än Si (ngaas) Låg R mycket hög basdopning 4

25 Design av en ipolär Transistor, f t, R, r 0, reakdown Minska asdopningen Ökar Problem Lösning Högre asresistans Ändra Geometrin (L,) Minska astjockleken Ökad Earlyeffekt (r 0 ) Lägre Kollektordopning W W f t Tjockare Emitter Högre Emmiterdopning E W n N N n p DE A Ej effektivt efter W E > L n Övre gräns för N DE R W L N A U br Risk för Kvasibottning. Hög kollektorresist ans Problem 5

26 Sammanfattning je : as-emittor utarmningskapacitans (F) j: bas-kollektor utarmningskapacitans (F) diff,e : Diffusionskapacitans (F) p : je + diff,e (F) µ : j r p : ingångsresistans (W) g m : transkonduktans (1/ W) R : asresistans (W) r 0 : utgångsresistans (W) h Fe : ac-strömförstärkning f t : övergångsfrekvens (Hz) f 3d : 3d frekvens (Hz) 6