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전자회로 기초
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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
전자회로 기초
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+
-
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
전자회로 기초
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BJT 와 MOSFET 비교
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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BJT(Bipolar Junction Transistor)
▣ 구조
▣ Terminology & Symbols
전자회로 기초
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▣ Biasing Modes
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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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
nπ
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
Tπ
τgC
I
Vr
I
Vr
=
=
=
+
-
ro
B
vbe rpi gm vbe
C
E
icCpi
Cmu
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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
2π
w
2π
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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▣ 각 증폭기의 소신호 이득, 입출력저항
소신호 이득, 입출력 저항?
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MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)
▣ 구조
▣ Symbols
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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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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
2π
w
2π
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?