Föreläsning 9 Bipolära Transistorer II Funktion bipolär transistor Småsignal-modell Hybrid-p 1
Komponentfysik - Kursöversikt Bipolära Transistorer pn-övergång: kapacitanser Optokomponenter pn-övergång: strömmar Minnen: Flash, DRAM MOSFET: strömmar MOSFET: laddningar pn-övergång: Inbyggd spänning och rymdladdningsområde Dopning: n-och p-typ material Laddningsbärare: Elektroner, hål och ferminivåer Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap Ellära: elektriska fält, potentialer och strömmar 2014-04-09 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013 2
Bipolär Transistor : D Operationsmoder Rekombination / Högnivåinjektion Genombrott 3
n,p Bipolär transistor Aktiv mod E B N P N I E =I +I B N P N I I I B +V BE +V B +0.7V -1.0V x I I B eaut nn W N µ µ n p 2014-04-09 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013 4 B N N DE AB AB I I F 2 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
n,p Bipolär transistor Bottnad mod E B N P N I E =I +I B1 N P N I I =I cn -I B2 I B +V BE +V B +0.7V +0.5V Framspänd bas-kollektorövergång - ökad basström, lägre elektronström minskar Transistorn får lägre förstärkning! x V BE > 0.7 V för stor ström V B < 0.5 V : stor hål-läckström till kollektorn 5
n,p Bipolär transistor strypt mod E B I E =I +I B I N P N I~ 0 N P N I~ 0 I B I~ 0 +V BE +V B -0.1V -0.3V Backspänd bas-kollektorövergång och basemitterövergång Ingen injecerad laddning I I E I B I 0 0 x V BE > 0.0 V V B < 0.0 V 6
Bipolär transistor - operationsområden 6 5 Aktiv V BE =0.740 V I B =50 µa Aktiv Mod (Si): Kollektorström (ma) 4 3 2 V BE =0.734 V V BE =0.727 V V BE =0.717 V I B =40 µa I B =30 µa I B =20 µa V BE ~ 0.7V V E > 0.2V I = I B 1 V BE =0.699 V I B =10 µa V BE =0.0 V I B =0 A 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 V ce (V) Strypt 7
Maximal Spänning - Lavingenombrott I BV EO U bi, B 2 εbr r 0 2e N D Sätter den maximala spänningen över transistorn: U E <BU EO Minsta spänningen ges av mättnadsspänningen. U E >U E,min U E, min U E, max BV EO V E 8
Resistanser - emitter / kollektor På samma sätt som pn-dioden: Driftström genom de neutrala områderna! R B I B R I B >> 1, så: I n >>I p Elektrontransport fram till basen ger spänningsfall! R E W E W R = W BL 1 eμ n N D B R E = W E BL 1 eμ n N DE R E L R Emitter N DE Bas N AB Kollektor N D 9
Basresistans: R B I B R B I B R B I E I I B R E L W B Resistivitet: en 1 AB p I B R B 1 3 L A 3BW B L Be N AB p L R B Tunn bas, låg N AB Hög basresistans! Väldesignad BJT har en låg basresistans. 10
Log (I) Parasiteffekter U BE hög I c stor Högnivåinjektion i basen o n(0) > N AB. Långsam ökning av I lägre Kvasi-bottning o I skapar spänningsfall över den neutrala delen av kollektorn. Bas-kollektor övergången blir framspännd lägre. U BE liten I c liten Rek. RLO Normal Högnivå Kvasi-bottning U BE Rekombination av elektroner/hål i bas-emitter rymdladdningsområdet. Få elektroner tar till till basen låg I och. U11 BE
Bipolär Transistor : D Operationsmoder Rekombination / Högnivåinjektion Genombrott 12
Bipolär Transistor : A Småsignal D Småsignal A 13
Småsignal bipolär transistor: hybrid-p Bas + R B + µ Kollektor u in Emittor - u be π r π - g m u be r 0 Emittor Varifrån kommer de olika passiva och aktiva elementen? Vad sätter storlekarna på de olika elementen? 14
Utarmningskapacitanser: jb, jbe Emittor Bas Kollektor µ π jbe jb N AB > N D jbe jb r A d 2 0 r 0 tot, be r 0A d tot, bc A 2 U bi BE en U 2 A r 0eN 2 AB BE U U bi B D B U BE ~ 0.7V U B ~ -1 V jbe > jb 15
Diffusionskapacitans: diff,be Emittor Bas Kollektor µ π diff,be diff, BE W 2U 2 B 2 t W B dv BE Ändrar mängden laddning i basen: diffusionskapacitans n I W 2U 2 E 2 t p I B Enbart mellan bas-emittor Dominerande vid stora strömmar 16
Kapacitanser: p och µ p jbe diff, BE jb π µ p : Summa av diffusionskapacitans och utarmningskapacitans µ : Utarmningskapacitans 2014-04-09 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013 17
Ingångsresistans: r p i b I B + F I B u be - r p 2 eau T pni U BE I B exp( ) W N U I I B E DE t r p U I t B U I t Storsignal ger arbetspunkt I B Småsignal linearisering kring I B 2014-04-09 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013 18
Transkonduktans: g m i I B + F I B u be - r p I eau T nn W N B AB 2 i U exp( U BE T ) i di du BE g u m BE I U t g m u BE r p 2014-04-09 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013 19
Utgångskonduktans: g o Kollektorström (ma) I eau T nn W N B AB 2 i Högre U E W B minskar (basviddsmodulation) 10 8 6 4 2 -U A U exp( U BE T ) u be - r 0 + du di ce c r p U I U A Earlyspänningen (50-100V) A 0-30 -20-10 0 V ce (V) 20
2 minuters övning Hur ser hybrid-p modellen ut för en bipolär transistor i strypt mod? (U BE < 0, U E > 0) + Bas Kollektor u in u ut - Emittor Emittor 21
Högfrekvensegenskaper - strömförstärkning V E Små-signal schema: V BE i b µ L bias L bias i + c i b u be r p π i c v BE bias bias - g m u be r p g m Signal vid höga frekvenser: bias = kortslutning L bias = avbrott Maximal strömförstärkning: h FE ( ) i i c b ( ) ( ) 22
Högfrekvensegenskaper - strömförstärkning h fe ( ) h fe i i c b ( ) ( ) 1 ( ) r 2 p -3dB p / 2 1 1 f 3dB f T log (f) 2014-04-09 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013 23
Högfrekvensegenskaper - strömförstärkning h fe ( ) 1 ( ) r 2 p p h fe -3dB f 3dB 1 2 p jbe jb diffbe r p / 2 1 f t 2p jbe g m jb diffbe 1 f 3dB f T log (f) 2014-04-09 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013 24
Bipolär Transistor : A Småsignal D Småsignal A 25
Bipolära Transistorer mikroelektronik & nanoelektronik Diskreta komponenter Modern, integrerad SiGe-HBT E 500nm f t ~ 300 MHz ~ 100-800 U BR ~ 80V f t ~ 400-800 GHz ~ 20-800 U BR ~ 2 V 2014-04-09 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014 26
InP/InGaAs Heterobipolar Transistor Thickness (nm) Material Doping cm -3 Description Emitter ollector Sub collector (n++) S.I. InP Base 30 In 0.53 Ga 0.47 As 510 19 : Si Emitter cap 10 In 0.53 Ga 0.47 As 410 19 : Si Emitter 60 InP 310 19 : Si Emitter 10 InP 1.210 19 : Si Emitter 20 InP 1.010 18 : Si Emitter 22 InGaAs 5-910 19 : Base 5.0 In 0.53 Ga 0.47 As 210 17 : Si Setback 11 InGaAs / InAlAs 210 17 : Si B- Grade 3 InP 6.2 10 18 : Si Pulse doping 51 InP 210 17 : Si ollector 5 InP 110 19 : Si Sub ollector 5 In 0.53 Ga 0.47 As 210 19 : Si Sub ollector 300 InP 210 19 : Si Sub ollector Substrate SI : InP µ n InGaAs >> µ n Si N AB = 50 N DE (!!) 2014-04-09 Lecture 9, High Speed Devices 2014 27
Nanoelektronik f t > 500 GHz 30 10 9 10 10 MAG/MSG 10 11 10 12 Gains (db) 25 20 15 10 5 U I e =22 ma, V ce =1.45V J e =16 ma/m 2, V cb =0.4V H 21 f t, f max =560 GHz 0 10 9 10 10 10 11 10 12 Frequency (Hz) Mitt världsrekord från 2007 idag har de bästa transistorerna f t > 700 GHz, och f max (effektförstärkning) > 1 THz. Ni kan lära er detaljerna i fortsättningskursen Höghastighetselektronik. 28
Nanoelektronik THz Tunn bas (~ 10-20 nm) Hög mobilitet andra material än Si (InGaAs) Låg R B mycket hög basdopning 29
Sammanfattning jbe : Bas-emittor utarmningskapacitans (F) jb: bas-kollektor utarmningskapacitans (F) diff,be : Diffusionskapacitans (F) p : jbe + diff,be (F) µ : jb r p : ingångsresistans (W) g m : transkonduktans (1/ W) R B : Basresistans (W) r 0 : utgångsresistans (W) h Fe : ac-strömförstärkning f t : övergångsfrekvens (Hz) f 3dB : 3dB frekvens (Hz) 30