전자회로 기초

전자회로 기초 4 항목 BJT MOSFET 구조 bulk에서 동작 surface에서 동작 공정 복잡 간단 발명연도 1950년대 1930년대...

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전자회로 기초

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 vout vin

Transistor

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전자회로 기초

▣ 트랜지스터(Transistor) = Transferred + Resistor Transferred=넘어서 혹은 다른쪽으로, Resistor=저항 Transconductance(gm)=1/Transresistance(rt)

i=v/r

+ v

vc

-

Resistor

i= vc/rt = gm vc

+

Trans-Resistor=Transistor

▣ 트랜지스터 소신호 등가회로

+ vc

rc = r π for BJTs = ∞ for MOSFETs

rc

i=gm vc

-

▣ 트랜스컨덕턴스의 중요성: 트랜지스터의 소신호 이득 = - g m R L 신호 지연시간 = C L / g m (Q = C L v = i t = g m 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.

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전자회로 기초

BJT 와 MOSFET 비교

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전자회로 기초

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

(2πf T ) -1

(C π +C μ )/g m

(C gs +C gd )/g m

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

BJT(Bipolar Junction Transistor) ▣ 구조

▣ Terminology & Symbols

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전자회로 기초

▣ Biasing Modes

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전자회로 기초

▣ 동작설명(Active Region, npn BJT)

(i) 전자의 이동: 에미터-베이스접합 순방향바이어스 Ö n+ 에미터의 전자들의 에너지가 높아짐. Ö 이 전자들은 E-B Barrier 를 넘어 베이스로 주입. Ö 전자들은 얇은 베이스 영역을 Diffusion 하면서 오른쪽으로 이동. Ö 베이스-콜렉터 접합에 도달한 전자는 역방향 바이어스에 의해 콜렉터로 끌 려감. 이 성분이 콜렉터 전류임. Ö n (0)exp(V BE/VT ) IC = AqD B B = I0 exp(V BE /VT ) W (ii) 정공의 이동: 에미터-베이스접합 순방향바이어스 Ö p 베이스의 정공들의 에너지가 높아짐. Ö 이 정공들은 에미터로 주입 (Back Injection). Ö 정공들은 에미터에서 Diffusion 하면서 재결합하여 없어짐. 이 성분이 베이 스 전류임. Ö n (0)exp(V BE /VT ) = IC /β IB = AqD E E LB

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전자회로 기초

▣ I-V IC = I0 exp(V BE/VT ) IB = IC /β IE = IC +IB IC = βIB , IC = αIE α=

β α ,β= 1 +β 1 -α

▣ ac 등가회로 i) Transconductance iC = IC +ic = I0 exp[(V BE + v be )/VT]

gm =

DC : IC = I0 exp(V BE /VT ) ac : iC ≈ (IC /VT )v be = g m v be

IC VT

ii) 2 nd Order Effects rπ = ro =

∂v BE v be VT = = ib IB ∂iB ∂v CE v ce VA (Early Effect) = = ic IC ∂iC

Cπ =

∂(iCτF ) icτF ∂Q n = = = g mτF (Diffusion Capacitane ) v be ∂v BE ∂v BE

Cμ = 베이스 - 콜렉터 접합 커패시턴스

Cmu

B

C

+ vbe

ic rpi

gm vbe

Cpi

ro

E

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rπ =

VT IB

ro =

VA IC

Cπ = g mτF

전자회로 기초

▣ 회로해석 i) DC 해석 먼저 ii) ac 해석(소신호 이득):

VDD RL

v o = (−g mvi)R L v ∴ o = −g mRL vi

gm vi Rout=RL||ro=RL

vi iii) ac 해석(주파수 특성(f H )) 1 입력 Pole: w p1 = (R S ||rπ)[Cπ + Cμ(1 + g mRL)] 출력 Pole:

∴fH =

w p2 =

Rin=rpi

1 (Negligibl e) (R L ||ro )[C μ(1 + 1/g m R L )]

w wH 1 ≈ p1 = 2π 2π 2π(R S ||rπ)[Cπ + Cμ(1 + g mR L )]

▣ 각 단자에서 본 입력 임피던스

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vo

전자회로 기초

▣ 각 증폭기의 소신호 이득, 입출력저항

소신호 이득, 입출력 저항?

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전자회로 기초

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

▣ Symbols

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전자회로 기초

▣ Biasing Modes

▣ 동작원리(Saturation Region) VGS>Vt Ö 게이트전압에 의해 채널에 전자들 이 모임. VDS>VGS-Vt(Saturation) Ö 채널의 끝부분이 Pinch-Off 에 의 해 사라짐. Ö 드레인전압에 의해 수평의 전계가 형성. Ö 채널의 전자들은 전계의 의한 Drift 에 의해서 채널의 끝부분 으 로 이동. Ö Pinch-Off 부분에 도달한 전자들 은 아주 큰 수평 Pinch-Off 전계 에 의해 드레인으로 빨려감. ▣ I- V W 1 ID = μn C ox [2(VGS − Vt)VDS − VDS 2] for linear region L 2 1 W = μn C ox (VGS − Vt)2 for saturation region 2 L

Vt=Threshold Voltage Body Effects: V = V +γ( V + 2Φ - 2Φ ) t t0 SB F F ▣ ac 등가회로 i) Transconductance iD = ID +id = K(VGS + v gs - Vt) DC : ID = K(VGS - Vt)2

gm =

ac : id ≈ 2K(V GS - Vt)v gs ≡ g m v gs

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ID (VGS − Vt)/2

전자회로 기초

ii) 2 nd Order Effects Channel Length Modulation:

ID = K(V GS - Vt)2 (1 +λVDS )

ro = VA/ID

ro = (λID )−1 = VA /ID

C GS =

C GS =Gate-to-Source Capacitance=(2/3)Cox WL C GD =Gate-to-Drain Capacitance D CGD G

+ vgs

C GD

2 C ox WL 3 = very small

id CGS

gm vgs

ro

S

▣ 회로해석 i) DC 해석 먼저 ii) ac 해석(소신호 이득):

VDD RL

v o = (−g mvi)R L ∴

vo = −g mR L vi

Rin=infinity

출력 Pole: Negligible ∴fH =

gm vi Rout=RL||ro=RL

vi

iii) ac 해석(주파수 특성(f H )) 1 입력 Pole: w p1 = R S[C GS + C GD (1 + g mRL )]

w wH 1 ≈ p1 = 2π 2π 2πR S[C GS + C GD (1 + g mR L)]

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vo

전자회로 기초

참조: MOSFET I-V 유도

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전자회로 기초

▣ 각 단자에서 본 입력 임피던스

▣ 각 증폭기의 소신호이득, 입출력 저항

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전자회로 기초

소신호 이득, 입출력 저항?

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