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第 4 部分　雙極性接面電晶體

第 4 部分　雙極性接面電晶體. Chapter 10 雙極性電晶體 (BJTs) 的時域分析. 10.1 簡　介 10.2 易伯 - 摩爾模型 10.3 小信號等效電路 10.4 BJT 中的儲存電荷電容 10.5 頻率響應 10.6 BJTs 、 MOSFETs 和 BiMOS 10.7 結　論. 497. 10.1 　簡介 這一章要分析 BJT 與時間相關的特性。首先，我們在類比系統中使用小信號交流模型，而數位電路中觀察它的交換暫態。這一章也比較了 BJT 和 MOSFET 的優缺點。. 497. 10.2 　易伯 - 摩爾模型

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第 4 部分　雙極性接面電晶體

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  1. 第 4 部分　雙極性接面電晶體 Chapter10 雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析

  2. 10.1簡　介 • 10.2易伯 - 摩爾模型 • 10.3小信號等效電路 • 10.4BJT中的儲存電荷電容 • 10.5頻率響應 • 10.6BJTs、MOSFETs和BiMOS • 10.7結　論

  3. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 497 • 10.1　簡介 • 這一章要分析BJT與時間相關的特性。首先，我們在類比系統中使用小信號交流模型，而數位電路中觀察它的交換暫態。這一章也比較了 BJT 和 MOSFET 的優缺點。

  4. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 497 • 10.2　易伯 - 摩爾模型 • 圖10.1是 BJT 的易伯 - 摩爾交流共射極等效電路，它是圖9.14的直流等效電路加上寄生電容；在求解時變工作時，因電容比寄生電阻重要多了，為簡化起見，我們省略了寄生電阻(但後面要再加上去)。 • 圖10.1的 CjBE和 CjBC分別表示基 - 射和基 - 集的接面電容，而 CscBE和 CscBC表示順偏下的基 - 射和基 - 集接面的儲存電荷電容。

  5. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 498 圖10.1BJT工作在順向主動模式下的易伯 - 摩爾共射極模型

  6. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 498 • 工作在主動模式的易伯 - 摩爾等效電路示於圖10.2，因為基 - 集接面是逆偏，所以 IR和CscBC可以忽略。

  7. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 498 圖10.2　因為基 - 集接面是逆偏，所以 IR和 CscBC可以忽略。

  8. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 499 • 10.3　小信號等效電路 圖10.3(a) 標示有直流 ( 大寫 ) 和小信號，或交流大小的共射極電路；

  9. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 499 圖10.3(b) 沿負載線工作的圖示，對於 IB = 15A，直流工作點在 IC = 2.2mA 和 VCE = 2.5V。

  10. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 500 圖10.3(c) 有直流成份 ( IB和 IC ) 和交流成份 ( ib和 ic ) 的總輸入和輸出信號；

  11. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 500 圖10.3(d) 只考慮交流的共射極電路。

  12. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 501 • 10.3.1　混合  模型 • 在混合 模型，電容 C是逆向偏壓下集 - 基接面的電容： • 基極和射極之間的電容為 • 混合 模型包含了一個微分輸入電阻 r，它是基極電流如何隨著基極電壓微分變化的量測。 (10.1) (10.2)

  13. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 501 圖10.4　一個共射極組態的雙極性電晶體積體電路，圖中顯示小信號電流。

  14. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 502 圖10.5　混合 模型：(a) 理想的 BJT ( 所有的電阻可以被忽略 )；

  15. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 502 圖10.5　混合 模型：(b) 包含接觸電阻的所有電阻，在實際的 BJT 中，re和 rc經常是小到可以忽略，而通達電阻 r是很大的 (逆偏下接面的電阻)，這些近似將混合 模型簡化成 (c) (d) 忽略電容的低頻模型。

  16. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 502 圖10.5(續)

  17. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 503 • 我們知道 IB和 VBE間的關係為 　所以 (10.3) (10.4) 因此連結方程式 (10.3) 和 (10.4) 得到 (10.5)

  18. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 503 • 經由公式推導可得 (10.9) (10.10) (10.11)

  19. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 504 ∵ ∴ • 因射極是重摻雜且薄的，所以 re是小的且經常可忽略。 (10.12) (10.15)

  20. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 505 • 10.4BJT中的儲存電荷電容 • 基極的總儲存電荷為 (10.17) nB(0+) 是在射極邊緣的基極電子濃度，AE是射極面積 (10.18) ∵ ∴ (10.19)

  21. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 506 圖10.6　基 - 射接面，兩邊注入的載子有如電容 (a) 能帶圖；

  22. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 506 圖10.6(b)電荷分析。

  23. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 506 • 同樣的，射極的儲存電荷為 • 然而，在一個設計良好的 BJT 中，射極的電洞電流遠小於基極的電子電流 ( IpE« InB)，所以我們經常忽略儲存在射極電荷的效應。 • 如同第5章中二極體的情形，僅 dQB中的可回復分數 藉由射極在外部流動而恢復且貢獻於儲存電荷電容。定義可回復電荷 dQBr，由 • 對於均勻摻雜基極的情形，約為　或 dQB的三分之二由射極回復。 (10.20) (10.22)

  24. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 507 圖10.7　在一均勻摻雜的接面，當注入被改變時，電荷分布的變化。它需要時間去移除超額電荷，它等效於對電容放電 (a) 均勻摻雜基極；

  25. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 507 圖10.7(b) 步階基極。

  26. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 508 圖10.8　基極中可回復電荷的分數表為基極中步階參數的函數。當可回復電荷的分數降低時，儲存電荷電容也會跟著減少，且元件的響應時間也會減少 ( 元件工作變快 )。

  27. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 509 • 10.5　頻率響應 • 圖10.9是圖10.5(c) 的混合 電路，但忽略 rb和 rc且輸出短路。輸出電流為 (10.32) 而基極電流為 (10.33) 短路電流增益為 (10.34)

  28. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 510 圖10.9　高頻短路電流增益的混合 模型

  29. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 510 • 在一般的工作頻率和電流，gm» C，所以 •  頻率響應的截止頻率 fco為 (10.35) 電流增益的大小表為頻率的函數為 (10.36) (10.37)

  30. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 510 圖10.10BJT的頻率響應，圖中示出截止頻率 fco和單位增益頻率 fT。

  31. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 511 • 10.5.1　單位電流增益頻率fT • 單位電流增益頻率(unity current gain frequency)或單位增益頻率 (unity gain fre­quency)。由方程式(10.36)，(f)= (fT)=1或；然而，對於 = 1, f  fco且 (10.38)

  32. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 511 • 例題10.1

  33. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 511 • 例題10.1(續) »

  34. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 512 • 10.5.2　基極過渡時間 • 一個 npn 電晶體，基極的電子電流為 • 越過基極所需的時間為 • 基極的過渡時間。 (10.39) (x) 是基極區中 x 位置的平均速度。 (10.41) (10.43)

  35. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 512 • 對於均勻摻雜的基極，電子分布是線性的且從射極降低到基極： (10.44) 且儲存電荷為 (10.45) ∵ (10.47) (10.48) ∴ (10.49)

  36. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 513 • 例題10.2

  37. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 514 • 10.5.3　基極 - 集極的過渡時間tBC • 因這個區域的電場很大，越過空乏區的載子速度等於它的飽和速度 • 10.5.4　最大振盪頻率fmax • 最大振盪頻率 (maximum os-cillation frequency) fmax，是當考慮基極電阻時，元件的功率增益為一時的頻率，可表為 (10.50) 這裡的 wBC是基 - 集間的空乏區寬度。 (10.51) rb是基極電阻，CjBC是基 - 集接面電容。

  38. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 514 • 10.6BJTs、MOSFETs和BiMOS • 10.6.1BJTs和MOSFETs的比較 • 輸入阻抗 • 轉導 • 速度 • 功率消耗 • 製造的便利性

  39. Chapter 10　雙極性電晶體 (BJTs)的時域分析　P 515 » «

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