Föreläsning 12 Bipolära Transistorer II. Funk<on bipolär transistor

Transkript

1 Föreläsning 1 Bipolära Transistorer II Funk<on bipolär transistor Småsignal- modell Hybrid- π 1

2 Bipolär Transistor : D Opera<onsmoder Rekombina<on / Högnivåinjek<on GenombroJ

3 Bipolär transistor Ak;v mod E B I E =I +I B I P P I n,p I B +V BE +V B +0.7V - 1.0V x I I B = β = eaut µ nn W µ µ n p 3 B DE AB AB I I = = β β F i W W E B U exp( U BE T I B ) V BE > 0.7 V för stor ström V B < 0 V : backspänd övergång

4 Bipolär transistor Bo?nad mod E B I E =I n +I B1 I P P I =I n - I B I B n,p +V BE +V B +0.7V +0.5V Framspänd bas- kollektorövergång - ökad basström, lägre elektronström β minskar Transistorn får lägre förstärkning! x V BE > 0.7 V för stor ström V B < 0.5 V : stor hål- läckström <ll kollektorn 4

5 Bipolär transistor strypt mod E B I E =I +I B I P I~ 0 P I~ 0 I B I~ 0 n,p +V BE +V B - 0.1V - 0.3V Backspänd bas- kollektorövergång och bas- emi?erövergång Ingen injicerad laddning I I E I B I 0 0 x V BE > 0.0 V V B < 0.0 V 5

6 Bipolär transistor - opera;onsområden 6 5 Ak<v V BE =0.740 V I B =50 µa Ak;v Mod (Si): Kollektorström (ma) 4 3 V BE =0.734 V V BE =0.77 V V BE =0.717 V I B =40 µa I B =30 µa I B =0 µa V BE ~ 0.7V V E > 0.V I =β I B 1 V BE =0.699 V I B =10 µa V BE =0.0 V I B =0 A V (V) ce Strypt 6

7 Maximal Spänning - Lavingenombro? I BV EO U bi, B εbr ε rε 0 e D Sä?er den maximala spänningen över transistorn: U E <BV EO Minsta spänningen ges av mä?nadsspänningen. U E >U E,min U E, min U E, max BV EO U E 7

8 Resistanser - emi?er / kollektor På samma säj som pn- dioden: Drifström genom de neutrala områderna! R B I B βi B R β >> 1, så: I n >>I p Elektrontransport fram <ll basen ger spänningsfall! R E R = W BL 1 eµ n D W E B W R E = W E 1 BL eµ n DE R E EmiJer DE Bas AB L R Kollektor D 8

9 Basresistans: R B I E I B B I R B I B βi B R W B L Resis<vitet: R E ρ = 1 e µ AB p I B R B = 1 3 L A ρ = L 3 W B B e AB µ p L R B Tunn bas, låg AB à Hög basresistans! Väldesignad BJT har en låg bas- resistans. 9

10 Parasiteffekter U BE hög I c stor Högnivåinjek<on i basen o n(0) > AB. Långsam ökning av I lägre β Log (I) Kvasi- bojning o I skapar spänningsfall över den neutrala delen av kollektorn. Bas- kollektor övergången blir framspänd lägre β. U BE liten I c liten Rek. RLO ormal Högnivå Kvasi- bojning U BE Rekombina<on av elektroner/hål i bas- emijer rymdladdningsområdet. Få elektroner tar sig <ll basen låg I och β. β U10 BE

11 Bipolär Transistor : D Opera<onsmoder Rekombina<on / Högnivåinjek<on GenombroJ 11

12 Bipolär Transistor : A Småsignal D Småsignal A 1

13 Småsignal bipolär transistor: hybrid- π Bas + R B + µ Kollektor u in EmiJor - u be - π r π g m u be r 0 EmiJor Varifrån kommer de olika passiva och ak;va elementen? Vad sä?er storlekarna på de olika elementen? 13

14 jbe jb AB > D Utarmningskapacitanser: jb, jbe EmiJor Bas Kollektor µ π jbe jb ε rε = d 0A A ε rε 0 tot, be ε rε 0A = d tot, bc ( U U ) bi BE e A ε rε 0e AB BE ( ) µ U U bi B D B = U BE ~ 0.7V U B ~ - 1 V jbe > jb 14

15 Diffusionskapacitans: diff,be EmiJor Bas Kollektor µ π diff,be diff, BE = W U µ B t W B δv BE à Ändrar mängden laddning i basen: diffusionskapacitans n I W + U µ E t p I B Enbart mellan bas- emijor Dominerande vid stora strömmar 15

16 Kapacitanser: π och µ π jbe diff, BE µ = = jb + π µ π : Summa av diffusionskapacitans och utarmningskapacitans µ : Utarmningskapacitans 16

17 Ingångsresistans: r π i b I B β F I B u be - + r π eaut µ pni U BE I B = exp( ) W U I = I B E β DE t r π = U I t B = β U I t Storsignal ger arbetspunkt I B Småsignal linearisering kring I B 17

18 Transkonduktans: g m i I B β F I B u be - + r π I = eaut µ nn W B AB i U exp( U BE T ) di i = ube = du BE g I U t g m m = = u BE β r π 18

19 Utgångskonduktans: g o Kollektorström (ma) I = eaut µ nn W B AB i Högre U E W B minskar (basviddsmodula<on) U A U exp( U BE T ) u be - + du r π ce r 0 = = di c U I U A Earlyspänningen (50-100V) A V (V) ce 19

20 minuters övning Hur ser hybrid- π modellen ut för en bipolär transistor i strypt mod? (U BE < 0, U E > 0) + Bas Kollektor u in u ut - EmiJor EmiJor 0

21 Högfrekvensegenskaper - strömförstärkning V E Små- signal schema: v BE V BE i b µ L bias L bias i + c i b u be π r π - bias β r = bias π g m g m u be i c Signal vid höga frekvenser: bias = kortslutning L bias = avbroj Maximal strömförstärkning: h ( ω) = FE i i c b ( ω) ( ω) 1

22 Högfrekvensegenskaper - strömförstärkning h fe ( ω) h fe = i i c b ( ω) ( ω) 1+ β [ ω( + ) r ] µ π - 3dB π β β/ 1 1 f 3dB f T log (f)

23 Högfrekvensegenskaper - strömförstärkning β h fe ( ω) 1+ + [ ω( ) r ] µ π π h fe - 3dB f 3dB 1 = π ( jbe + jb + diffbe ) r π β β/ 1 f t = π m ( + + ) jbe g jb diffbe 1 f 3dB f T log (f) 3

24 Bipolär Transistor : A Småsignal D Småsignal A 4

25 Bipolära Transistorer mikroelektronik & nanoelektronik Diskreta komponenter Modern, integrerad SiGe- HBT B E 500nm f t ~ 300 MHz β ~ U BR ~ 80V f t ~ GHz β ~ U BR ~ V 5

26 Sammanfa?ning jbe : Bas- emijor utarmningskapacitans (F) jb: bas- kollektor utarmningskapacitans (F) diff,be : Diffusionskapacitans (F) π : jbe + diff,be (F) µ : jb r π : ingångsresistans (Ω) g m : transkonduktans (1/ Ω) R B : Basresistans (Ω) r 0 : utgångsresistans (Ω) h Fe : ac- strömförstärkning f t : övergångsfrekvens (Hz) f 3dB : 3dB frekvens (Hz) 6