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# System prepended metadata

title: Bipolar Junction Transistors (BJTs)
tags: [Electronics]

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tags: Electronics
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# Bipolar Junction Transistors (BJTs)

## 4.1  Device Structure and Physical Operation

- 構造與操作模式
	- *npn*
		- ![](https://i.imgur.com/zyQIJSK.png)
	- *pnp*
		- ![](https://i.imgur.com/ObyBKX8.png)
	- 三個半導體區域
		- **射極 emitter**
		- **基極 base**
		- **集極 collector**
	- 兩個接面
		- **射極接面 emitter-base junction,EBJ**
		- **集極接面 collector-base junction,CBJ**
	- 三種操作模式
		- **主動模式 active mode**
		- **截止模式 cutoff mode**
		- **飽和模式 saturation mode**
		- ![](https://i.imgur.com/iOMgrqt.png)


- **NPN電晶體在主動模式的操作**
	- ![](https://i.imgur.com/NVbUYb7.png)
	- **射極接面有兩個成分混成的電流,分別是射極注入基極的電子,與基極電洞到射極的電洞**
		1. 重摻雜的射極(高濃度電子)
		2. 輕摻雜的基極(低濃度電洞)
	- **射極電流$i_E$**
		- 方向朝**射極端離開的方向**
		- 以電子流產生的電流為主
		- $i_E$中的電子和電洞兩種成分的大小和 $e^{v_{BE}/V_T}$ 成正比, **$v_{BE}$是射極接面的順偏電壓**
		- **$i_E=i_C+i_B=\frac{1}{\alpha}(I_Se^{v_{BE}/V_T})=\frac{1}{\alpha}i_C$, $\alpha=\frac{\beta}{\beta+1}$, $\alpha$ 稱為共基極電流增益(common-base current gain)**
	- **集極電流$i_C$**
		- **在基極中靠近射極接面邊緣的切面會有最高的電子濃度 $n_{p0}e^{v_{BE}/V_T}$, 這些注入的電子會擴散 diffuse 到集極邊緣**
		- 部分電子與基極中的多數載子電洞結合,但因為基極很薄,而且是輕摻雜,所以**經過再結合過程(recombination process)損失的電子相當少**
		- **當擴散電子抵達集極與基極空乏區的邊緣時,電子會因為$v_{CB}$的電壓被掃過空乏區抵達集極,構成集極電流$i_C$**
		- $$集極電流:i_C = I_se^{v_{BE}/V_T}$$
		- **這個電流大小與$V_{CB}$無關**
	- **基極電流$i_B$**
		- 包含兩個成分
			1. **$i_{B1}$=從基極注入到射極的電洞,與$e^{v_{BE}/V_T}$成正比**
			2. **$i_{B2}$=外部電路遞補基極區與電子再結合損失的電洞,由於電子與 $e^{v_{BE}/V_T}$ 成正比,所以這個成分電流也與 $e^{v_{BE}/V_T}$ 成正比**
		- $i_B$ 與 $e^{v_{BE}/V_T}$成正比
		- **$i_B$=$\frac{i_C}{\beta}$ or $i_B$=$(\frac{I_S}{\beta})e^{v_{BE}/V_T}$,$\beta$為電晶體參數或共射極電流增益(common-emitter current gain)**
		- $\beta$ 值受到基極寬度$W$與基極對射極的相對摻雜濃度影響
	- **少數載子分佈**
		- ![](https://i.imgur.com/HaHazaa.png)
		- 因為射極與基極相對摻雜濃度的關係 $n_{p0}>p_{n0}$
		- $n_p(0)=n_{p0}*e^{v_{BE}/V_T}$
		- **因為基極很薄,所以額外電子濃度趨近於線性衰減,集極接面的反偏使得基極接集極邊緣的電子濃度降為0,抵達此接面的電子被掃入集極**
		- 基極朝集極之電子擴散電流$I_n=A_{BE}qD_n\frac{dn_p(x)}{dx}=A_{BE}qD_n(-\frac{n_p(0)}{W}),n_p(0)=n_{p0}+n_{p0}(e^{V_{BE}/V_T}-1)(e^{-(x_p+x_p)/L_n})=n_{p0}e^{V_{BE}/V_T}$
		- 集極電流 $i_C=I_n=I_Se^{v_{BE}/V_T},I_S=A_{EB}qD_n\frac{n_{p0}}{W}$(方向向左)
			1. ![](https://i.imgur.com/z65mBr0.png)
			2. ![](https://i.imgur.com/ab36s8a.png)
			3. ![](https://i.imgur.com/tSG5Pdk.png)
		> $n_{p0}=\frac{n_i^2}{N_A},I_S=\frac{Aqn_i^2D_n}{N_AW}$, $D_n是電子擴散常數$
	- **重點說明**
		1. 集極端類似理想電流源,由$v_{BE}$決定, $i_C=I_S(e^{v_{BE}/V_T})$
		2. 基極電流$i_B*\beta=i_C$
		3. 射極電流$i_E=i_B+i_C=i_C/\alpha$
		4. 大信號模型($v_{BE}$沒有限制)![](https://i.imgur.com/W87vpqK.png)
			
- npn簡化結構
	- **實際上射極與集極的物理構造不同,不可以對調**
	- CBJ面積比EBJ大得多
		- $CB$二極體的飽和電流$I_{SC}$會比$EB$二極體的飽和電流$I_{SE}$大
		- ![](https://i.imgur.com/LtLDw9u.png)


- **飽和模式操作**
	- **此時EBJ與CBJ皆為順偏**
	- $V_{CB}<-0.4V$ ,or $V_{BC}>0.4V$
		- **因為pn接面的順向偏壓須超過0.4V左右才能有效導通**
		- ![](https://i.imgur.com/eXmEN75.png)
		- **當導通時的集極電流** $$i_C=I_Se^{v_{BE}/V_T}-I_{SC}e^{-v_{CB}/V_T}=I_Se^{v_{BE}/V_T}-I_{SC}e^{v_{BC}/V_T}$$
		- $V_{BC}$是基極對集極的電壓
		- ![](https://i.imgur.com/MlUTJuP.png)
	- **飽和模式下**
		- **基極電流** $$i_B=(I_S/\beta)e^{v_{BE}/V_T}+I_{SC}e^{v_{BC}/V_T}$$
		- $I_{SC}=I_S*\frac{A_{BC}}{A_{BE}}$
		- **調整$v_{BC}$可以獲得比原本 $\beta$ 還低的 $\beta_{forced}$ 值**
	- **鑑定是否在飽和模式工作**
		- CBJ順偏是否超過0.4V($v_{B}-v_{C}>0.4V$)
		- $\frac{i_C}{i_B}$的比值$\beta$ **是否正常**
		- **飽和邊緣區** $$|V_{CB}|=0.3V,i_C=i_B*\beta$$ 
		- **深度飽和區** $$|V_{CB}|=0.2V,i_C=i_B*\beta_{forced}$$
	- 集射電壓$V_{CE_{sat}}=V_{BE}-V_{BC}$ 
		- **$V_{CE_{sat}}$在飽和區邊緣時通常在0.3V內,深入飽和區時假設為0.2V**

- **PNP電晶體**
	- ![](https://i.imgur.com/h24ZyNY.png)
	- $v_{BE}$替代為$v_{EB}$
	- **射極電流主要由電洞傳導造成**
	- **基極電流為兩個成分**
		- 1.電子由基極進入射極
		- 2.注入基極的電洞與基極多數載子(電子)結合後,造成電子消失,電子由外部電路補充
	- **抵達集基接面空乏區的電洞因為空乏區的電場被掃入集極,產生集極電流**
	- ![](https://i.imgur.com/B0Itd0h.png)

## 4.2  Current–Voltage Characteristics

- BJT符號
	- ![](https://i.imgur.com/c8yXYnA.png) 
	- ![](https://i.imgur.com/GGRwKq2.png)
	- **指向為p->n**
	- **NPN**
		- $I_C+I_B=I_E$
	- **PNP**
		- $I_E-I_C=I_B$

- 決定主動或飽和模式
	- **npn**
		- 若$\rm{EBJ}$順偏(通常$v_{EB}\simeq 0.7V$)
		- **且$v_C+0.4V\geq v_B$**
		- **就操作在主動模式**
		- 否則進入飽和區
	- **pnp**
		- 若$\rm{EBJ}$順偏(通常$v_{EB}\simeq 0.7V$)
		- **且$v_C\leq v_B+0.4V$**
		- **就操作在主動模式**
		- 否則進入飽和區
	- ![](https://i.imgur.com/Cofxpmw.png)


- **集極反偏電流** $I_{CBO}$
	- **在射極開路的狀況下,從集極流到基極的電流**
	- 約奈安培(nanoampere)
	- 比理論值高的原因是因為有漏電流成分
	- **與溫度有關,每升高$10^\circ$電流增加兩倍**

- **active mode**
	- ![](https://i.imgur.com/mLRuzPp.png)

- 電晶體特性圖示
	- **review**
		- $i_C=I_se^{\frac{V_{BE}}{V_T}}$
		- $i_B=\frac{1}{\beta}*i_C$
		- $i_E=\frac{1}{\alpha}*i_C,\alpha=\frac{\beta}{\beta + 1}$
	- npn
		- ![](https://i.imgur.com/95nobWV.png)
	- pnp
		- 上圖的$v_{BE}$改為$v_{EB}$
	- 溫度每上升$1^\circ$,$v_{BE}$接面電壓會下降$2mV$
		- ![](https://i.imgur.com/49QIZaf.png)

- **Early Effect 爾利效應**
	- **$i_C$會受到$v_C$某種程度的影響**
	- 共射極組態(commo-emitter configuration)
		- ![](https://i.imgur.com/g3HIxd5.png)
	- $i_C-v_{CE}$ 特性曲線
		- ![](https://i.imgur.com/cCXRNrH.png)
		- $V_A$ 爾利電壓
		- 增加集基接面的反偏電壓$v_{CE}$會使得空乏區寬度變大,反之 **有效基極寬度(effective base width)** 減小
		- $I_S$與$W$成反比,因此調整$v_{CE}$會使得$i_C$變大($v_{BE}=const.$)
	- $i_C=I_Se^{\frac{v_{BE}}{V_T}}(1+\frac{v_{CE}}{V_A})$
	- $r_o=\frac{V_A+V_{CE}}{I_C}$
		- $I_C$與$V_{CE}$是操作在某條$v_{BE}$曲線上的座標點
		- 簡化$r_o=\frac{V_A}{I'_C}$
		- $I'=I_Se^{\frac{v_{BE}}{V_T}}$(沒有爾利效應的集極電流)
	- **若將參考變數由$V_{BE}$改為$i_B$**
		- ![](https://i.imgur.com/5QhXSLn.png)
		- **藉由固定$V_{CE}$,測定增量可以決定$\beta$(雖然會有些不同)**
		- ![](https://i.imgur.com/tIDoJAR.png)
		- **增量 incremental** : 
			1. $\Delta i_C$
			2. $\Delta i_B$
			3. $\beta=\frac{\Delta i_C}{\Delta i_B}$
		- 飽和區內斜率陡峭表示集射電阻$R_{CEsat}$很小
	- 飽和區名詞意義:
		- 一但在飽和區操作時,$I_C$只會產生微小變化

## 4.3  BJT Circuits at DC

- **簡易模型**
	- ![](https://i.imgur.com/izRKHZM.png)

## 4.4 Transistor Breakdown and Temperature Effects

- 電晶體崩潰
	- 當$i_E=0$時
		- $V_{CB}$達到$BV_{CBO}$時會產生崩潰
	- 當$i_E>0$時
		- $V_{CB}$崩潰電壓會小於$BV_{CBO}$
	- ![](https://i.imgur.com/EVXGe9Q.png)
	- ![](https://i.imgur.com/FG93g1R.png)


- 溫度影響
	- $\beta$值與溫度有關,也與直流電流有關
	- ![](https://i.imgur.com/2ijtD47.png)
