Microsoft PowerPoint - 3. BJT

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진욱 궉
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1 BJT (Bipolar Junction Transistor)

2 BJT 의구조및동작모드

3 BJT 의구조및동작모드 실제 BJT 는그림 3-1(a) 와같이이미터영역과컬렉터영역의기하학적구조가다르며, 세영역의도핑농도도각기다르게만들어진다. 도핑농도 : ( 이미터 )>( 베이스 )>( 컬렉터 ) 이미터 : 전류운반캐리어 ( 전자또는정공 ) 를제공 컬렉터 : 베이스영역을지나온캐리어가모이는영역 베이스 : 이미터에서주입된캐리어가컬렉터로도달하기위해지나가는영역 BJT 의전류증폭률을크게만들기위해폭이매우얇게만들어진다. + Simplified cross section of a planar NPN bipolar junction transistor

4 BJT 의구조및동작모드

5 BJT 의구조및동작모드

6 BJT 의구조및동작모드

7 BJT 의구조및동작모드 활성모드의전류성분 B-E, B-C를각각 PN 접합다이오드로생각할수있음. 개별 PN 다이오드에역방향바이어스가인가되면전류가흐르지못하지만, BJT에서역방향바이어스된 B-C 접합에는이미터에서주입된전자가베이스를통과하여컬렉터로이동하므로 B-C 접합에컬렉터전류가흐른다는사실에유의.

8 BJT 의구조및동작모드 활성모드의전류성분 B-E 접합에순방향바이어스 이미터영역의다수캐리어인전자가베이스영역으로주입 (1로표시 ) 베이스영역의다수캐리어인정공은이미터영역으로주입 (2로표시 ) 이미터영역의도핑농도가베이스영역의도핑농도보다월등히높이때문에, 1이 2보다월등히많다. 이미터에서베이스로주입된전자중일부 (3으로표시 ) 는베이스영역의정공 (4로표시 ) 과재결합하여소멸된다. 이미터에서베이스로주입된전자중, 베이스에서재결합된일부를제외한나머지 (5로표시 ) 는컬렉터로넘어가컬렉터전류 Ic를형성한다.

9 BJT 의구조및동작모드 컬렉터전류 I C 는컬렉터전압 V C 와무관하다.

10 BJT 의구조및동작모드

11 BJT 의구조및동작모드 I C DC I B DC : 공통이미터 DC 전류이득 Rizzoni Ch.10, Fig. 10.8

12 BJT 의구조및동작모드 I C DC I B Rizzoni Ch.10, Fig. 10.9(b)

13 BJT 의구조및동작모드

14 BJT 의구조및동작모드

15 BJT 의구조및동작모드

16 BJT 의구조및동작모드

17 BJT 의구조및동작모드 VCE V BE I C DC I B VCE V BE Rizzoni Ch.10, Fig. 10.9(b)

18 BJT 의 DC 해석과등가모델 NPN 형 BJT 가활성모드로동작하려면 V BE >0 와 V BC <0 가만족되어야한다는것은앞절에서강조하였다. 그림 3-10(a) 는 NPN 트랜지스터의이미터가접지로연결된공통이미터회로이며, 가장기본적인증폭기회로이다. 공통이미터 (common-emitter) 회로에대해 DC 해석과등가모델에대해알아보자.

19 BJT 의 DC 해석과등가모델 BJT가활성모드로동작할때, 순방향바이어스가걸린 B-E 접합은턴-온 (turn-on) 전압 V BE(on) 을갖는PN 다이오드로모델링할수있다. 활성모드의컬렉터전류는베이스전류의함수인제어전류원 β DC I B 로모델링할수있다.

20 BJT 의 DC 해석과등가모델 V BB -V BE(on) <0 차단모드 I B =0 V BB -V BE(on) 0 활성모드 B-E 루프에 KVL 을적용하면, C-E 루프에 KVL 을적용하면,

21 BJT 의 DC 해석과등가모델

22 BJT 의 DC 해석과등가모델

23 BJT 의 DC 해석과등가모델 부하선 (load line): 선형회로가비선형소자 ( 트랜지스터 ) 에대해나타낼수있는부하의모든궤적을나타내는직선 트랜지스터의동작점 (Q 점 ) 이부하선상에설정된다. BJT 의경우 - B-E 특성에대해그려지는입력부하선 - E-C 특성에대해그려지는출력부하선

24 BJT 의 DC 해석과등가모델 입력부하선 B-E 루프에 KVL 을적용하여얻어지는다음수식에의해그려진다.

25 BJT 의 DC 해석과등가모델 출력부하선 E-C 루프에 KVL 을적용하여얻어지는다음수식에의해그려진다.

26 BJT 의 DC 해석과등가모델

27 BJT 의 DC 해석과등가모델

28 BJT 의 DC 해석과등가모델

29 바이어스회로 BJT 는인가되는바이어스에의해동작모드가결정되며, 증폭기회로에사용되기위해서는활성모드로바이어스가설정되어야한다. 증폭기에서는입력신호와출력신호사이의선형성이중요한요소이므로, 선형동작영역의중앙근처에 BJT의동작점이설정되도록바이어스를인가한다. I BQ V BB V R B BE( on) I CQ DC I BQ V CEQ V CC I C Q R C

30 바이어스회로 바이어스회로의종류 BJT 의 β DC 와 V BE(on) 은트랜지스터마다다르고, 온도에민감하게영향을받는다. β DC 와 V BE(on) 에무관하게하여바이어스안정도향상 고정바이어스 (Fixed bias) 전압분배바이어스 (Voltage divider bias) 자기바이어스 (Self bias) Collector-to-base bias polar_transistor_biasing

31 바이어스회로 고정바이어스회로 하나의전원 V CC 를이용하여바이어스 동작점전류, 전압값들이 β DC 와 V BE(on) 에직접적영향을받아바이어스안정도가좋지않다.

32 바이어스회로 전압분배바이어스회로 두개의저항으로전원전압분배 동작점전류, 전압값들이 β DC 와 V BE(on) 에직접적영향을받아바이어스안정도가좋지않다. 테브냉등가회로

33 바이어스회로 자기바이어스회로 테브냉등가회로 이미터저항추가, 바이어스안정도개선 등가회로 B-E 루프에 KVL 적용 I V CQ TH DC BQ I BQ I R V 1 TH BE( on) DC I BQRE

34 바이어스회로 자기바이어스회로 이면, 컬렉터바이어스전류 I CQ 가근사적으로 β DC 에무관하게되어동작점이안정화된다.

35 바이어스회로 Collector-to-Base Bias 베이스저항을컬렉터에연결, 바이어스안정도개선 V CC 에서 R C, R B 거쳐 B-E 로이어지는루프에 KVL 적용 V CC R C I CQ I BQ I BQRB VBE(on) I CQ I 이므로, DC BQ V I I CC BQ CQ R R R C B DCI BQ I BQ I BQRB VBE(on) V DC B CC V V 1 CC BE( on) DC R C V BE( on) 1 DC RC RC R B V CC V BE( on) 1 R,1 이면, DC C 이고 DC

36 바이어스회로

37 바이어스회로

38 BJT 의소신호등가회로 BJT가활성영역에서동작하는경우에동작점을중심으로신호가작은크기로변하면선형적인특성을가지며, 이를소신호 (small-signal) 특성이라고한다.

39 BJT 의소신호등가회로 전달컨덕턴스와소신호공통이미터전류이득활성영역의컬렉터전류는전압 V BE 에의해제어되는일정한값을가지므로전압제어전류원 (voltage controlled current source) 으로동작하며, 이특성을전달컨덕턴스 (transconductance) 로모델링할수있다.

40 BJT 의소신호등가회로 전달컨덕턴스 BJT 가전압 V BEQ 에의해활성모드로바이어스되어있을때, V BE 가 ΔV BE 만큼변할때, 컬렉터전류 I C 의변화량 ΔI C 구하기. 테일러급수를이용하여근사화하면,

41 BJT 의소신호등가회로 전달컨덕턴스 V BE 가 ΔV BE 만큼변할때, 컬렉터전류 I C 의변화량 ΔI C 는 이때가작은변화인경우에에수렴하는값을가지므로, 이를전달컨덕턴 스라고하며기호 g m 으로나타낸다.

42 BJT 의소신호등가회로 하이브리드 -π 등가모델 BJT 증폭기의해석에가장널리사용되고있는저주파소신호등가모델 여기서, 저주파란 BJT 내부의기생정전용량 (parasitic capacitance) 을고려하지않기때문.

43 BJT 의소신호등가회로 하이브리드 -π 등가모델 B-E 접합은순방향바이어스된 PN 접합으로동작 순방향바이어스된 PN 접합은등가저항 r d 로모델링가능 비슷한 r π g m I V CQ T r acv I CQ T V I T BQ

44 BJT 의소신호등가회로 하이브리드 -π 등가모델 i c g r i m b i ac b

base width for low collector-base reverse bias; Bottom: narrower NPN base width for large

45 BJT 의소신호등가회로 하이브리드 -π 등가모델 활성모드에서 BJT의 B-C PN 접합은역방향바이어스되며, 컬렉터전압 V C 가증가할수록 (V CE 가증가할수록 ) B-C 접합의공핍영역확대 얇은두께의베이스로공핍영역이침투하여유효베이스폭감소 : 베이스폭변조 이미터에서주입된캐리어가컬렉터까지도달하는비율증가 : 컬렉터전류증가 (Early 효과 ) Top: NPN base width for low collector-base reverse bias; Bottom: narrower NPN base width for large collector-base reverse bias. Hashed regions are depleted regions. 컬렉터전압이증가하면컬렉터전류가증가 : 저항으로모델링

46 BJT 의소신호등가회로 하이브리드 -π 등가모델 컬렉터전압이증가하면컬렉터전류가증가 : 저항으로모델링 V A : 얼리전압 (typically 15 V to 150 V; smaller for smaller devices)

47 BJT 의소신호등가회로 하이브리드 -π 등가모델 r g ac m V I T BQ g m I V CQ T r o V I A CQ

48 BJT 의소신호등가회로

49 BJT 의소신호등가회로

50 BJT 의소신호등가회로

전자회로 실험

전자회로 실험 전자회로실험 2 조 고주현허영민 BJT의고정바이어스및 부품 * 실험목적 1) 고정바이어스와 회로의직류동작점을결정한다. 다이오드의특성 * 실험장비 계측장비 - Digital Multi Meter 부품 -저항 다이오드의특성 부품 - 트랜지스터