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전자회로 기초 1 트랜지스터란 무엇인가? ▣ 정의: 증폭작용 및 스위칭작용을 할 수 있는 반도체소자. 트랜지스터(Transistor) => Bipolar Junction Transistor(BJT): npn, pnp Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor(MOSFET): n-channel, p-channel ▣ 트랜지스터 => 증폭작용 ▣ 트랜지스터 => 스위칭작용 VCC RL vin vout Transistor

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Page 1: 전자회로 기초bandi.chungbuk.ac.kr/~ysk/ckt0.pdf · 2010-05-28 · 전자회로 기초 1 트랜지스터란 무엇인가? 정의: 증폭작용 및 스위칭작용을 할 수

전자회로 기초

1

트랜지스터란 무엇인가?

▣ 정의:

증폭작용 및 스위칭작용을 할 수 있는 반도체소자.

트랜지스터(Transistor) =>

Bipolar Junction Transistor(BJT): npn, pnp

Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor(MOSFET):

n-channel, p-channel

▣ 트랜지스터 => 증폭작용

▣ 트랜지스터 => 스위칭작용

VCC

RL

vin

vout

Transistor

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전자회로 기초

2

+

-

i=gm vcvc rc

▣ 트랜지스터(Transistor) = Transferred + Resistor

Transferred=넘어서 혹은 다른쪽으로, Resistor=저항

Transconductance(gm)=1/Transresistance(rt)

▣ 트랜지스터 소신호 등가회로

rc = rπ for BJTs

= ∞ for MOSFETs

▣ 트랜스컨덕턴스의 중요성:

트랜지스터의 소신호 이득 = - gm RL

신호 지연시간 = CL / gm (Q = CL v = i t = gm v t)

BJT 가 MOSFET 보다 gm 이 크다.

▣ 트랜지스터 => 3-터미날 소자:

BJT: 에미터와 콜렉터단자 사이의 전류를 베이스단자의 전류로 조절.

MOSFET: 소스와 드레인단자 사이의 전류를 게이트단자의 전압(수직전계)로

조절.

v

+

-

Resistor

i=v/r

Trans-Resistor=Transistor

+

-

i= vc/rt = gm vc

vc

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전자회로 기초

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BJT 와 MOSFET 비교

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전자회로 기초

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항목 BJT MOSFET

구조 bulk 에서 동작 surface 에서 동작

공정 복잡 간단

발명연도 1950 년대 1930 년대

전류성분 diffusion 전류 drift 전류

캐리어종류 minority/majority carrier majority carrier

전류식 IC=IS exp(VA/Vt) ID=K(VCC-VT)^2

gm 크다. IC/Vt 작다. ID/{(VCC-VT)/2}

스위칭속도 빠르다(구동전류 커기때문) 보통

(2πfT)-1 (Cπ+Cμ)/gm (Cgs+Cgd)/gm

온도계수 dI/dT > 0 dI/dT < 0

장단점 속도빠르다. 저 전력소모

▣ 두 소자의 장점만을 이용한 IC => BiCMOS

내부회로는 MOSFET 으로 구성 => 저전력소모

외부구동회로는 BJT 로 구성 => 외부회로 구동에 필요한 충분한

전류공급, 고속동작

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전자회로 기초

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BJT(Bipolar Junction Transistor)

▣ 구조

▣ Terminology & Symbols

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전자회로 기초

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▣ Biasing Modes

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전자회로 기초

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)/Vexp(VIW

)/V(0)exp(VnAqDI TBE0

TBEBBC ==

/βIL

)/V(0)exp(VnAqDI C

B

TBEEEB ==

▣ 동작설명(Active Region, npn BJT)

(i) 전자의 이동:

에미터-베이스접합 순방향바이어스

n+ 에미터의 전자들의 에너지가 높아짐.

이 전자들은 E-B Barrier 를 넘어 베이스로 주입.

전자들은 얇은 베이스 영역을 Diffusion 하면서 오른쪽으로 이동.

베이스-콜렉터 접합에 도달한 전자는 역방향 바이어스에 의해 콜렉터로 끌

려감. 이 성분이 콜렉터 전류임.

(ii) 정공의 이동:

에미터-베이스접합 순방향바이어스

p 베이스의 정공들의 에너지가 높아짐.

이 정공들은 에미터로 주입 (Back Injection).

정공들은 에미터에서 Diffusion 하면서 재결합하여 없어짐. 이 성분이 베이

스 전류임.

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전자회로 기초

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α-1

αβ ,

β1

βα

αII , βII

III

/βII

)/Vexp(VII

ECBC

BCE

CB

TBE0C

=+

=

==+=

==

bembeTCC

TBE0C

TbeBE0cCC

vg)v/VIi :ac

)/Vexp(VII :DC

])/Vvexp[(VIiIi

=≈

=

+=+=

(T

Cm

V

Ig =

커패시턴스 접합 콜렉터-베이스 C

)Capacitane (Diffusionτgv

τi

v

)τ(i

v

QC

Effect) (Early I

V

i

v

i

vr

I

V

i

v

i

vr

μ

Fm

be

Fc

BE

FC

BE

C

A

c

ce

C

CEo

B

T

b

be

B

BEπ

=

==∂

∂=

∂∂

=

==∂∂

=

==∂∂

=

▣ I-V

▣ ac 등가회로

i) Transconductance

ii) 2nd Order Effects

Fmπ

C

Ao

B

τgC

I

Vr

I

Vr

=

=

=

+

-

ro

B

vbe rpi gm vbe

C

E

icCpi

Cmu

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전자회로 기초

9

Lm

i

o

Limo

Rgv

v

)Rvg(v

−=∴

−=

)]Rg(1C)[Cr||(R

1w

LmμππS

p1 ++=

e)(Negligibl)]R1/g(1)[Cr||(R

1w

LmμoL

p2 +=

)]Rg(1C)[Cr||2π(R

1

w

wf

LmμππS

p1HH ++

=≈=∴

vi

VDD

RLvo

Rout=RL||ro=RLgm vi

Rin=rpi

▣ 회로해석

i) DC 해석 먼저

ii) ac 해석(소신호 이득):

iii) ac 해석(주파수 특성(fH))

입력 Pole:

출력 Pole:

▣ 각 단자에서 본 입력 임피던스

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전자회로 기초

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▣ 각 증폭기의 소신호 이득, 입출력저항

소신호 이득, 입출력 저항?

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전자회로 기초

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MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)

▣ 구조

▣ Symbols

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전자회로 기초

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)2Φ-2ΦVγ(VV FFSBt0t ++=

gsmgstGSd

2tGSD

tgsGSdDD

vg)vV-2K(Vi :ac

)V-K(VI :DC

)V-vK(ViIi

≡≈

=

+=+=

)/2V(V

Ig

tGS

Dm −=

▣ Biasing Modes

▣ 동작원리(Saturation Region)

VGS>Vt

게이트전압에 의해 채널에 전자들

이 모임.

VDS>VGS-Vt(Saturation)

채널의 끝부분이 Pinch-Off 에 의

해 사라짐.

드레인전압에 의해 수평의 전계가

형성.

채널의 전자들은 전계의 의한

Drift 에 의해서 채널의 끝부분

으 로 이동.

Pinch-Off 부분에 도달한 전자들

은 아주 큰 수평 Pinch-Off 전계

에 의해 드레인으로 빨려감.

▣ I- V

Vt=Threshold Voltage

Body Effects:

▣ ac 등가회로

i) Transconductance

region saturation for )V(VL

WCμ

2

1

region linear for ]V)VV[2(VL

WCμ

2

1I

2tGSoxn

2DSDStGSoxnD

−=

−−=

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전자회로 기초

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DA1

Do

DS2

tGSD

/IV)(λIr

)λV(1)V-K(VI

==

+=−

Lm

i

o

Limo

Rgv

v

)Rvg(v

−=∴

−=

)]Rg(1C[CR

1w

LmGDGSS

p1 ++=

)]Rg(1C[C2πR

1

w

wf

LmGDGSS

p1HH ++

=≈=∴

vi

VDD

RLvo

Rin=infinity

Rout=RL||ro=RLgm vi

small veryC

WLC3

2C

/IVr

GD

oxGS

DAo

=

=

=ii) 2nd Order Effects

Channel Length Modulation:

CGS=Gate-to-Source Capacitance=(2/3)CoxWL

CGD=Gate-to-Drain Capacitance

▣ 회로해석

i) DC 해석 먼저

ii) ac 해석(소신호 이득):

iii) ac 해석(주파수 특성(fH))

입력 Pole:

출력 Pole: Negligible

+

-

vgs

G

S

D

gm vgs ro

id

CGS

CGD

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참조: MOSFET I-V 유도

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▣ 각 단자에서 본 입력 임피던스

▣ 각 증폭기의 소신호이득, 입출력 저항

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소신호 이득, 입출력 저항?