1、Chap 05 雙載子接面電晶體,簡 介,三端元件(二極體背對背連接) BJT(雙載子接面電晶體) BJT在嚴苛環境下的可靠度 所設計的電路容易預測,元件參數不敏感 非常高頻電路仍在廣汎使用-ECL, RF 高電流趨動能力 雙載子與MOS的結合-BiMos,5.1元件構造與物理操作,Npn 或 Pnp CBE(基極外的兩極屬同型材料但掺雜濃度不同) 主動模式(信號放大)-射基順偏, 集基反偏 截止模式-射基反偏, 集基反偏 飽和模式-射基順偏, 集基順偏 逆向主動模式-射基反偏, 集基順偏,5.1.1 npn 的主動模式,少數載子 ic=In=Is eVBE/VT iB=iC/ 射極電流iE=
2、iC + iB共基電流增益,VBE會產生指數型的電流ic, 只要CB反偏ic與集極電壓無關 主動模式下集極端像一個定電流源 iB=1/ ic iEic iSE=Is/F,5.2電壓電流特性 5.2.1 電路模型和慣用符號 BJT的慣用符號 主動模型電壓極性及電流方向 電流從上到下 上面電壓會比較高 射極箭頭隱含射基電壓必須順偏的極性 npn主動模式:EBJ順偏, 集極電壓不要比集極電壓超過0.4V 集極反偏電流(Icbo) 射極開路時集極到基極的電流 電流大小:奈安培級 包含大量的漏電流大小值和Vcb有關,Npn:Ic-Vbe特性曲線(指數型式), Ib-Vbe, Ie-Vbe Vbe0.5v
3、 一般直流分析Vbe=0.7v pnp:Ic-Vbe特性曲線(指數型式) 特性曲線的溫度效應(Fig. 5.17)VBE 的改變為-2mv/0C 共基特性Ic對Vcb特性曲線不同Ie 下Ic對Vcb的圖形,5.2.2電晶體特性的圖形表示法,主動模式Vcb - 0.4v(圖5.18b),每一特性線都會交於在電流值IE 大信號=iC/iE 共基電流增益增量或小信號 飽和操作時的ic-Vcb特性曲線,Fig. 4.14 The iC-vCB characteristics for an npn transistor in the active mode.,5.2.3 ic和集極電壓的相依性爾利效應,
4、共射極組態(Fig.5.19(a) 共射特性曲線(Fig.5.19(b) Vce降低至C比B電壓低超過0.4v時,集基接面順偏電晶體進入飽和模式 爾利效應-理想上IC 不跟隨值VCE值不同而改變，但是，實際上，VCE值不同確實會改變IC，此一特性就是所謂的 Early Effect，其方程示 外差將曲線交在負的Vce軸上, Vce=-Va (爾利電壓) 形成原因: 特定Vbe下, 增加集基接面的反偏電壓增加接面空乏區的寬度進而降低有效的積極寬度W, I S與iC會比例上升(式5.36) 集極看入的O/P阻抗,Fig. 4.15 (a) Conceptual circuit for measur
5、ing the iC-vCE characteristics of the BJT. (b) The iC-vCE characteristics of a practical BJT.,5.2.4 共射極特性,採用而ib不是基射電壓Vbe 主動區斜率和圖5.19不同 共射電流增益 值與操作條件無關 大信號或直流, 增量或交流 飽和電壓及飽和電阻(Eig. 5.23) 值比主動區小 過動因素 飽和區的集射電阻-幾歐姆到幾十歐姆,Fig. 4.65 Common-emitter characteristics. Note that the horizontal scale is expanded
6、 around the origin to show the saturation region in some detail.,Figure 5.22 Typical dependence of b on IC and on temperature in a modern integrated-circuit npn silicon transistor intended for operation around 1 mA.,Figure 5.23 An expanded view of the common-emitter characteristics in the saturation
7、 region.,5.2.5 電晶體崩潰,外加電壓限制在EBJ和CBJ的崩潰效應 共基組態-Ie=0時BVCBO(大於50V) 共射組態-Ib=0時BVCEO(耐壓LVCEO 功率消耗保持在安全範圍不會造成CBJ破壞性崩潰 EBJ的累增崩潰電壓(68V)BVEBOBVCBO,5.3 BJT放大器及開關,電壓電流特性(表5.3) 主動模式操作 Npn EBJ(BE pn順偏)VBE VBEoN0.5V, VBE=0.7V CBJ(BC pn反偏) VBC VBCoN0.4VVCE0.3V Pnp EBJ順偏VEB VEBoN0.5V CBJ反偏VCB VCBoN0.4VvEC0.3V 直流電壓關
8、係式,5.3.1 大信號轉移特性,圖5.26(a) 輸入電壓(加在基極與射極間)=偏壓(直流偏壓)+信號(交流信號) 電阻Rc的功能:(1)集級產生直流偏壓;(2)集級信號電流轉換成輸出電壓vce或vo CE電壓轉移特性- Vo=Vce=Vcc-Rcic (a) 在 0Vi0.5 -電晶體截止, ic可忽略, Vo=Vcc (b) Vi 0.5-電晶體導通, ic增加, Vo減少 (c)Vce-Vbe 0.4電晶體在飽和區RCEsat,5.3.2 放大器增益,放大器須偏壓在主動區 放大信號Vi須加到VBE上, 並維持很小的振幅 瞬間操作點偏壓在Q附近(幾乎是線性的轉移曲線) 線性段的斜率Q點附
9、近小信號的放大增益 最大增益落在飽和區的邊緣Avmax=-Vcc/VT,5.3.2 放大器增益,CE放大器是反相-輸出信號與輸入信號相位差1800 要得到較大電壓增益Rc上的跨壓要大 VRC越大VCE值越小 低Vce 操作在主動區邊緣 主動區操作時應將顛電壓偏壓在特性線YZ部份 Q點在線段較高位置時BJT可能會Cut off, 輸出峰值可能被Vcc截掉 最大Av應在飽和區邊緣,5.3.3 圖形分析,無法提供精確數值 操作方法分析 決定直流偏壓點 (1) Vi=0 (Fig. 5.28)決定直流基極電流 IB 負載線: iB與VBE的關係 (2) 直流偏壓點Q:決定IC和VCE (Fig. 5.
10、29) Q點落在主動區 三角波的輸入(Fig. 5.30(a) 相對於Vi的總瞬間iB 從圖決定出iC和VCE波形及iC和Vce的值(Fig. 5.30(b),偏壓點位置對信號擺幅的影響(Fig. 5.31) Vce正峰值不能超過Vcc, 一旦超過截止區(Fig. 5.30(b) Vce負峰值不能超過0.3V, 一旦超過飽和區(Fig. 5.30(b) Fig. 5.31線A 較低Rc值, 偏壓點QA, VcVcc,Vce正擺幅受到限制 Fig. 5.31線B 較高Rc值,偏壓點QB ,小Vce值,Vce負擺幅受到限制,Fig. 4.36 Graphical construction for
11、determining the dc collector current IC and the collector-to-emmiter voltage VCE in the circuit of Fig. 4.34.,Fig. 4.35 Graphical construction for the determination of the dc base current in the circuit of Fig. 4.34.,Fig. 4.37 Graphical determination of the signal components vbe, ib, ic, and vce whe
12、n a signal component vi is superimposed on the dc voltage VBB (see Fig. 4.34).,Fig. 4.38 Effect of bias-point location on allowable signal swing: Load-line A results in bias point QA with a corresponding VCE which is too close to VCC and thus limits the positive swing of vCE. At the other extreme, l
13、oad-line B results in an operating point too close to the saturation region, thus limiting the negative swing of vCE.,5.3.4 開關模式的操作,使用截止區及飽和區(Fig. 5.32) Vi 0.5v iB=0, iC=0, VC=VCC 開啟電晶體Vi到0.5V, 大量電流VBE0.7V 主動模式只要VC VB-0.4 Vc=Vcc-RcIc VC VB-0.4(飽和區): IC=ICsat(IC不會再增大) 主動模式的最大IB發生於臨界飽和之際IBEOS 飽和邊界約(EO
14、S): IBEOS=ICEOS/或 ICsat/ IB IBEOS BJT進入飽和, IB 愈大飽和愈嚴重 VI(EOS)=IB(EOS)RB+VBE,5.3.4 開關模式的操作,Vi VI(EOS) ICsat=(Vcc-VCEsat)/Rc 飽和時Icsat無法再隨IB增大 飽和現象(深度)的兩指標 forced=ICsat/IB(值愈小愈飽和) 過趨因素F=(IB/IBEOS), F 愈大飽和愈嚴重,直流分析步驟,BE順偏,Y,BC反偏,y,N,截止模式, Ib=0, Ic=0,主動模式, VBE=0.7V,Ic=Ib, VCE=?,飽和模式, VBE=0.7V, VCEsat=0.2V, Icsat=forced IB, forced,N,
