Föreläsning 9 – Bipolära Transistorer II Funktion bipolär transistor Småsignal-modell Hybrid-p Designparametrar 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Komponentfysik - Kursöversikt Bipolära Transistorer pn-övergång: kapacitanser Minnen: Flash, DRAM Optokomponenter MOSFET: strömmar pn-övergång: 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 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Bipolär transistor – Aktiv mod E B C IE=IC+IB IC N P N N P N IC IB IB +VBE +VBC +0.7V -1.0V n,p x VBE > 0.7 V för ”stor” ström VBC > 0 V : backspänd övergång 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Bipolär transistor – Bottnad mod E B C IE=IC+IB1 IC N P N N P N IC=Icn-IB2 IB +VBE +VBC Framspänd bas-kollektorövergång - ökad basström, lägre elektronström b minskar Transistorn får lägre förstärkning! +0.7V +0.5V n,p VBE > 0.7 V för ”stor” ström VBC < 0.5 V : ”stor” hål-läckström till kollektorn x 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Bipolär transistor – strypt mod E B C IE=IC+IB IC N P N N P N I~ 0 I~ 0 IB I~ 0 +VBE +VBC Backspänd bas-kollektorövergång och bas-emitterövergång Ingen injecerad laddning – IC ~ IE ~ IB ≈ I0 ≈ 0 -0.1V -0.3V n,p VBE > 0.0 V VBC < 0.0 V x 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Bipolär transistor - operationsområden Aktiv VBE=0.740 V IB=50 µA Aktiv Mod: VBE ~ 0.7V VCE > 0.2V IC=b×IB VBE=0.734 V IB=40 µA VBE=0.727 V IB=30 µA Bottnad VBE=0.717 V IB=20 µA VBE=0.699 V IB=10 µA IB=0 A VBE=0.0 V Strypt 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Småsignal bipolär transistor: hybrid-p Cµ RB Kollektor Bas + + uin ube rπ r0 Cπ gmube - - Emittor Emittor Känns igen från analogelektroniken! Varifrån kommer de olika passiva och aktiva elementen? Vad sätter storlekarna på de olika elementen? 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Utarmningskapacitanser: CjBC, CjBE Emittor Bas Kollektor Cπ CjBE CjBC NAB > NDC UBE ~ 0.7V UBC ~ -1 V CjBE > CjBC 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Diffusionskapacitans: Cdiff,BE Emittor Bas Kollektor Cπ Cdiff,BE WB Enbart mellan bas-emittor Dominerande vid stora strömmar dVBE  Ändrar mängden laddning i basen: diffusionskapacitans 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Kapacitanser: Cp och Cµ Cp: Summa av diffusionskapacitans och utarmningskapacitans Cµ: Utarmningskapacitans 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Föreläsning 9, Komponentfysik 2013 Ingångsresistans: rp + ube rp iB: Småsignal - DC 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Föreläsning 9, Komponentfysik 2013 Transkonduktans: gm iC + ube rp - 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Utgångskonduktans: go + ube rp - Högre UCE – WB minskar (basviddsmodulation) UA – Earlyspänningen (50-100V) Högre basdopning NAB: Större UA Mindre strömförändring -UA 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Föreläsning 9, Komponentfysik 2013 Basresistans: RB IB RB B IE + IC ube rp - L Resistivitet: WB IB Tunn bas, låg NAB  Hög basresistans! Väldesignad BJT har en låg bas-resistans. L RB 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Föreläsning 9, Komponentfysik 2013 2 minuters övning Hur ser hybrid-p modellen ut för en bipolär transistor i ’strypt’ mod? (UBE < 0, UCE > 0) Kollektor Bas + uin uut - Emittor Emittor 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Högfrekvensegenskaper - strömförstärkning Små-signal schema: VCE VBE ib Cµ ic Lbias Lbias + ic Cπ ib ube rp vBE gm × ube - Cbias Cbias Maximal strömförstärkning: Signal vid höga frekvenser: Cbias = kortslutning Lbias= avbrott 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Högfrekvensegenskaper - strömförstärkning -3dB hfe  1 /√2 1 f3dB fT log (f) 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Högfrekvensegenskaper - strömförstärkning 1  /√2 hfe -3dB f3dB fT log (f) 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Föreläsning 9, Komponentfysik 2013 Parasiteffekter UBE hög – Ic stor Högnivåinjektion i basen n(0) > NAB. Långsam ökning av IC – lägre b Kvasi-bottning IC skapar spänningsfall över den neutrala delen av kollektorn. Bas-kollektor övergången blir framspännd – lägre b. Log (I) Kollektorström Basström UBE liten – Ic liten Rekombination av elektroner/hål i bas-emitter rymdladdningsområdet. Få elektroner tar till till basen – låg IC och b. Högnivå Kvasi-bottning Rek. RLO Normal UBE  UBE 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Maximal Spänning - Lavingenombrott IC Sätter den maximala spänningen över transistorn Minsta spänningen ges av mättnadsspänningen. Ger transistorns arbetsområde som förstärkare VCE BVCEO UCE, min UCE, max 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

HBT:er – mikroelektronik - nanoelektronik Diskreta komponenter Modern, integrerad SiGe-HBT B E C 500nm ft ~ 300 MHz b ~ 100-800 UBR ~ 80V ft ~ 300 GHz b ~ 800 UBR ~ 2 V 2018-11-20 Föreläsning 8, Komponentfysik 2013

InP/InGaAs Heterobipolar Transistor Thickness (nm) Material Doping cm-3 Description 30 In0.53Ga0.47As 51019 : Si Emitter cap 10 41019 : Si Emitter 60 InP 31019 : Si 1.21019 : Si 20 1.01018 : Si 22 InGaAs 5-91019 : C Base 5.0 In0.53Ga0.47 As 21017 : Si Setback 11 InGaAs / InAlAs B-C Grade 3 6.2 1018 : Si Pulse doping 51 Collector 5 11019 : Si Sub Collector 21019 : Si 300 Substrate SI : InP Emitter Base Collector Sub collector (n++) S.I. InP µn InGaAs > µn Si NAB = 50×NDE (!!) 2018-11-20 Lecture 9, High Speed Devices 2013

Nanoelektronik – ft > 500 GHz Mitt världsrekord från 2007 – idag har de bästa transistorerna ft > 700 GHz, och fmax (effektförstärkning) > 1 THz. Ni kan lära er detaljerna i fortsättningskursen Höghastighetselektronik. 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Nanoelektronik – ft > 700 GHz Tunn bas (~ 10-20 nm) Hög mobilitet – andra material än Si (InGaAs) Låg RB – mycket hög basdopning 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Design av en Bipolär Transistor – b, ft, RB, r0, Breakdown Ökar Problem Lösning b Ändra Geometrin (L,B) Minska Basdopningen Högre Basresistans ft, b Minska Bastjockleken Ökad Earlyeffekt (r0) Lägre Kollektordopning b Ubr Tjockare Emitter Ej effektivt efter WE > Ln Risk för Kvasi-bottning. Hög kollektorresistans b Problem Högre Emmiterdopning Övre gräns för NDE 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013

Föreläsning 9, Komponentfysik 2013 Sammanfattning CjBE: Bas-emittor utarmningskapacitans (F) CjBC: bas-kollektor utarmningskapacitans (F) Cdiff,BE: Diffusionskapacitans (F) Cp: CjBE+Cdiff,BE (F) Cµ: CjBC rp: ingångsresistans (W) gm: transkonduktans (1/ W) RB: Basresistans (W) r0: utgångsresistans (W) hFe: ac-strömförstärkning ft: övergångsfrekvens (Hz) f3dB: 3dB frekvens (Hz) 2018-11-20 Föreläsning 9, Komponentfysik 2013