Osnove mikroelektronike

Transcript

1 Osnove mikroelektronike Z. Prijić T. Pešić Elektronski fakultet Niš Katedra za mikroelektroniku Predavanja 2006.

2 Sadržaj Bipolarni tranzistor 1 Bipolarni tranzistor 2 Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike 3

3 Sadržaj Bipolarni tranzistor 1 Bipolarni tranzistor 2 Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike 3

4 npn tranzistor Sendvič struktura dva pn spoja

5 pnp tranzistor Bipolarni tranzistor

6 Električni simboli Bipolarni tranzistor

7 Polarizacija Režimi rada Bipolarni tranzistor Režim Emitor-baza Kolektor-baza Zakočenje Inverzno Inverzno Aktivni Direktno Inverzno Inverzni aktivni Inverzno Direktno Zasićenje Direktno Direktno

8 npn tranzistor Aktivni režim Bipolarni tranzistor

9 npn tranzistor u aktivnom režimu Kretanje nosilaca Koncentracija primesa u emitoru je znatno veća nego u bazi (ima više elektrona nego u bazi šupljina) Direktna polarizacija spoja emitor-baza izaziva injekciju elektrona iz emitora u bazu i šupljina iz baze u emitor. Struja elektrona je dominantna. Elektroni injektovani u bazu postaju manjinski nosioci. Kroz bazu se kreću difuzijom. Baza je tanka, pa je rekombinacija izme du elektrona i šupljina zanemarljiva (u prvoj aproksimaciji). Kada elektroni stignu do granice osiromašene oblasti inverzno polarisanog spoja kolektor-baza, kroz tu oblast prolaze pod dejstvom električnog polja, formirajući na taj način kolektorsku struju.

10 pnp tranzistor Aktivni režim Bipolarni tranzistor

11 Struje Kolektorska struja Bipolarni tranzistor i C = I S exp ( vbe I S je struja zasićenja. Direktno je proporcionalna površini spoja emitor-baza, a obrnuto proporcionalna širini baze. Zavisi od temperature tako što se udvostručava na svakih 5 C porasta temperature. Tipične vrednosti su A V T )

12 Struje Bazna struja Bipolarni tranzistor i B = i C β β je strujno pojačanje u konfiguraciji sa zajedničkim emitorom. U prvoj aproksimaciji, najviše zavisi od koncentracija primesa u emitoru i bazi, kao i od širine baze. Za svaki tranzistor je konstanta na sobnoj temperaturi. Tipične vrednosti su

13 Struje Emitorska struja Bipolarni tranzistor Alternativno: i E = i B + i C = (1 + β)i B i C, β 1 i C = αi E = β β + 1 i E i E = I ( ) S α exp vbe α je strujno pojačanje u konfiguraciji sa zajedničkom bazom (označava se i sa α F ). V T

14 Sadržaj Bipolarni tranzistor 1 Bipolarni tranzistor 2 Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike 3

15 Planarni proces Nedostatak: velika redna otpornost kolektora V - kontakt emitora kontakt baze kontakt kolektora n + n + p + p baza p + SiO 2 n epi n epi kolektor n epi p supstrat

16 Smanjenje redne otpornosti kolektora I Potkolektorski n + sloj (ukopani sloj) smanjuje rednu otpornost kolektora

17 Smanjenje redne otpornosti kolektora II Potkolektorski n + sloj (ukopani sloj) smanjuje rednu otpornost kolektora

18 Monolitni npn tranzistor I Kontakti baze i kolektora sa obe strane smanjuju redne otpornosti

19 Monolitni npn tranzistor II Kontakti baze i kolektora sa obe strane smanjuju redne otpornosti

20 Lateralni pnp tranzistor Emitor i kolektor se formiraju istovremeno kad i baza npn tranzistora

21 Supstratski pnp tranzistor Ograničeno područje upotrebe jer supstrat služi kao kolektor, a uvek je na najvišem negativnom potencijalu u kolu

22 Sadržaj Bipolarni tranzistor 1 Bipolarni tranzistor 2 Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike 3

23 Darlingtonov par I Stapanje oblasti u cilju povećanja stepena integracije

24 Darlingtonov par II Stapanje oblasti u cilju povećanja stepena integracije

25 Darlingtonov par III Stapanje oblasti u cilju povećanja stepena integracije

26 I 2 L ćelija I Osnovna ćelija digitalnih bipolarnih logičkih kola

27 I 2 L ćelija II Osnovna ćelija digitalnih bipolarnih logičkih kola

28 I 2 L ćelija III Osnovna ćelija digitalnih bipolarnih logičkih kola

29 Sadržaj Bipolarni tranzistor Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike 1 Bipolarni tranzistor 2 Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike 3

30 Ebers-Molov model npn tranzistor; indeksi: F -forward, R-reverse Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike

31 Ebers-Molov model Struje kroz diode Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike i DE = I SE [exp i DC = I SC [exp ( vbe V T ( vbc V T ) ] 1 ) ] 1 I SE i I SC su inverzne struje zasićenja spojeva emitor-baza i kolektor-baza, respektivno. Važi relacija: α F I SE = α R I SC I S

32 Ebers-Molov model Struje u čvorovima Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike i E = i DE α R i DC i C = i DC + α F i DE i B = (1 α F )i DE + (1 α R )i DC β F = α F 1 α F β R = α R 1 α R

33 Ebers-Molov model Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike i E = I S α F [ exp i C = I S [exp i B = I S β F [ exp ( vbe V T ( vbe V T ( vbe V T ) ] [ 1 I S exp ) 1 ] I S α R ) ] 1 + I S β R [ exp [ exp ( vbc V T ( vbc V T ( vbc V T ) ] 1 ) ] 1 ) ] 1

34 Grafička reprezentacija v CB - baza je referentni terminal! Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike kada je v CB < 0, 4V spoj kolektor-baza postaje direktno polarisan i tranzistor ulazi u zasićenje (engl. saturation)

35 Sadržaj Bipolarni tranzistor Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike 1 Bipolarni tranzistor 2 Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike 3

36 Prenosna karakteristika Temperaturni koeficijent napona v BE je -2mV/ C Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike npn tranzistor

37 Izlazne karakteristike Konfiguracija sa zajedničkom bazom Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike BV CBO je probojni napon spoja kolektor-baza.

38 Izlazne karakteristike Konfiguracija sa zajedničkim emitorom Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike BV CEO je probojni napon izme du kolektora i emitora.

39 Radna tačka Strujno pojačanje Bipolarni tranzistor Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike β = I CQ I BQ h FE h FE je oznaka koju upotrebljavaju proizvo dači u tehničkim specifikacijama, a potiče od hibridnog modela tranzistora. β ac = i C i B β i β ac se razlikuju 10 20%. vce =Const.

40 Strujno pojačanje Zavisnost od temperature Bipolarni tranzistor Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike

41 Oblast zasićenja v CEsat i R CEsat daju proizvo dači kao parametre Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike strmina (engl. slope)

42 Ebers-Molov model Strujno-naponske karakteristike Efekat modulacije širine baze (Early-jev efekat) Osiromašena oblast spoja kolektor-baza se širi i na stranu baze Postoji konačna izlazna otpornost tranzistora u aktivnom režimu.

43 Konfiguracija sa zajedničkim emitorom

44 Grafička analiza A v je naponsko pojačanje

45 Električna analiza I v O = v CE = V CC R C i C Tranzistor će biti u zakočenju (engl. cutoff ) sve dok je napon na ulazu manji od napona potrebnog da pn spoj baza-emitor provede. Nema kolektorske struje, pa će izlazni napon biti jednak naponu V CC - segment XY. Kada ulazni napon poraste dovoljno, spoj baza-emitor počinje da vodi i pojavljuje se kolektorska struja, tako da je: ( ) vbe v O = v CE = V CC R C I S exp što odgovara segmentu YZ. U tom slučaju je tranzistor u aktivnom režimu rada. V T

46 Električna analiza II Dalji porast napona na ulazu prouzrokuje smanjenje napona na izlazu. Kada napon na izlazu padne na približno 0,4V, spoj kolektor-baza biva direktno polarisan i tranzistor odlazi u zasićenje. I Csat = V CC V CEsat R C Prenosna karakteristika pokazuje da tranzistor u ovoj konfiguraciji ostvaruje funkciju prekidača.

47 Tranzistor kao pojačavač I Jednosmernom naponu na ulazu superponira se naizmenični signal v i Radnu tačku Q karakteriše napon V BE pri kome je kolektorska struja: ( ) vbe I C = I S exp tako da je: V T V CE = V CC R C I C Naponsko pojačanje se definiše kao: A v dv O dv I vi =V BE

48 Tranzistor kao pojačavač II Jednosmernom naponu na ulazu superponira se naizmenični signal v i Pošto je: onda je: ( ) vi v O = V CC R C I C = V CC R C I S exp V T A v = I CR C V T = V CC V CE V T Znak minus govori da pojačavač pomera fazu naizmeničnog signala za 180!