Föreläsning 8 – Bipolära Transistorer I Funktion bipolär transistor Geometri npn DC operation, strömförstärkning Operationsmoder Early-effekten pnp transistor G. Balla 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

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 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

Ideal transistor – spänningsstyrd strömkälla iin Iout Iout + + Vin k∙Vin Vout Ökande Vin - - Tre-terminal komponent Ideal Transistor Inspänning: Vin Utström: Iout=k∙Vin - oberoende av Vout Vin oberoende av Vout – isolation! Vout Hur konstruerar vi en bipolär transistor? Varför behöver en transistor biaseras? 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

Npn-transistor från två pn-övergångar! Varför blir en npn-övergång en transistor? Vilken karakteristik förväntar vi oss? 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

Framspänd pn-övergång n=npo×exp(Ua/kT) I UA EFn eUa -dn dp N P Ua 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

Backspänd pn-övergång 𝑛 𝑝 = 𝑛 𝑖 2 𝑁 𝐴 n=npo×exp(Ua/kT) I n ≈ 0 UA EFn eUa UA I -dn dp N P P N Ua 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014 -|Ua|

Bipolär transistor: npn n=npo×exp(Ua/kT) n ≈ 0 N P E B C EFn dp -dn eUa IC IB Framspänd emittor-bas Injecerar elektroner Styrs av UBE Backspännd bas-kollektor ”Drar” ut elektroner : oberoende av UBC 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

Bipolär transistor: npn Elektron diffusionsströmmar IC UBE ökar UCE ökar UCE 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

Repetition - diffusionsströmmar In konstant: n(0)>>n(WB) n(0) n(WB) x WB 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

npn bipolär transistor, geometri & dopningar Emitter Bas Kollektor Dopning Donator N-typ WE WB WC NDE N NDE P NAB N NDC Emitter AcceptorP-typ NAB - - + + Bas UBE UBC NDC Kollektor 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

Aktiv Mod – Bas & Kollektorströmmar IC UBC Kollektor IB Bas UCE UBE Emitter IE Tunn bas! Låg basdopning! Hög Emitterdopning! Bas-emitter framspänd: Flyter både hål (bas) och elektron (kollektor) ström! Stor strömförstärkning: NAB < NDE. WB << WE Gäller om UCE - UBE > 0 : Bas-kollektor ska vara backspänd! 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

Exempel – npn transistor i aktiv mod Beräkna b ! Dopning & Geometri: NDE = 1025 m-3 NAB = 1024 m-3 NDC = 1023 m-3 A=104 µm2 WB = 0.5 µm, WE=WC= 5 µm Konstanter: µn = 0.135 m2/Vs µp = 0.045 m2/Vs ni=1016 m-3 VT=25.6 mV Spänningar: UCE = 1.7 V 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

Aktiv Mod – Två-port vid DC - Storsignal Samma I0 som för en diod Kollektor – bas ska vara tillräckligt backspänd: UCE > UBE + 0.3 IC oberoende av UCE! IB IC Bas Kollektor UBE bFIB UCE emitter 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

Bipolär transistor: npn – aktiv mod IC VBE=0.816V UBC Kollektor VBE=0.810V IB Bas UCE VBE=0.798V UBE Emitter IE VBE=0.781V VBE=0.0V UBE > 0.7V UCE-UBE > 0.2-0.3V 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

1 minuts öving – Termisk stabilitet En bipolär transistor biaseras med UBE=0.7V vid T=300K Ökar/Minskar strömmen om T ökar till 340K? Varför kan det leda till att transistorn går sönder? 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

Early-effekten – basviddsmodulation Emitter Bas Kollektor UCE=5V UCE=20 V WB,eff N NDE P NAB N NDC IC UBE UBE = 0.7 V 2 1 UCE 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

Early-effekten – basviddsmodulation IC UBE -UA 2 1 UCE UA - Earlyspänningen Tunn bas! Låg basdopning! Hög Emitterdopning! Karakteriseras med UA : Earlyspänning Stor UA – låg utgångskonduktans (bra!) Tjock bas! Hög basdopning! 𝑈 𝐴 ∝ 𝑊 𝐵 𝑁 𝐴𝐵 Högt b och högt UA är svårt! 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2014

Föreläsning 8, Komponentfysik 2013 Operationsmoder UBC +UBE - +UBC - Bottnad +UBE - +UBC - Inverterad IB stor IC liten Ic beror på UBC Strypt Normal, Aktiv Mod UBE +UBE - +UBC - +UBE - +UBC - IC≈IB≈I0 ≈0 A —Hålkoncentration —Elektronkoncentration 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2013

Bipolär transistor: bottnad IB = 3 mA Aktiv IB =2 mA IB = 1mA UBE > 0.6V IB ≈ 0mA Strypt UCE > 0.2V 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2013

pnp bipolär transistor, geometri Emitter Bas Kollektor Aktivt Mod: UBE < 0 UBC > 0 UCE < 0 IE flyter in i emittern IC flyter ut ur kollektorn IE P NAE N NDB P NAC IC VBE < 0 VBC > 0 IB 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2013

Strömmar: pnp transistor i aktiv mod Alla halvledare har µn > µp PNP har alltid sämre prestanda än NPN! Kisel: bpnp / bnpn ≈ 0.1 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2013

Föreläsning 8, Komponentfysik 2012 Sammanfattning b, hfe: Strömförstärkning NAB – Acceptor dopning Bas (m-3) NDE – Donatordopning emitter (m-3) NDC – Donatordopning kollektor (m-3) UA – Earlyspänning (V) 2019-02-23 Föreläsning 8, Komponentfysik 2012