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Chapter 5 雙載子接面電晶體 (BJT) 元件分析

電子電路與實習. Chapter 5 雙載子接面電晶體 (BJT) 元件分析. 四技一年級下學期 授課教師：任才俊. 二個 pn 界面 ( 電晶體 ). 1948 年，貝爾實驗室發現真空管可將微弱電子訊號放大，但體積大且溫度高。 ( 今日在高功率及極高頻應用仍用真空管 ) 1960 年，第一顆以半導體製程之電晶體製作完成。 npn 型半導體與 pn 半導體不同的是它有二個 pn 界面。其結構就像是二顆陽極連接在一起的二極體，毫無特殊之處。 真正奇妙的結果是調整不同的 p,n 厚度而形成。. n + p n. Emitter Base Collector.

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Chapter 5 雙載子接面電晶體 (BJT) 元件分析

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  1. 電子電路與實習 Chapter 5雙載子接面電晶體(BJT)元件分析 四技一年級下學期 授課教師：任才俊

  2. 二個pn界面(電晶體) • 1948年，貝爾實驗室發現真空管可將微弱電子訊號放大，但體積大且溫度高。(今日在高功率及極高頻應用仍用真空管) • 1960年，第一顆以半導體製程之電晶體製作完成。 • npn型半導體與pn半導體不同的是它有二個pn界面。其結構就像是二顆陽極連接在一起的二極體，毫無特殊之處。 • 真正奇妙的結果是調整不同的p,n厚度而形成。

  3. n+ p n Emitter Base Collector NPN電晶體 • 刻意將中間的p型半導體做得很薄 • 將其中一塊n型半導體的摻雜濃度大幅提高(n+) ，使得兩塊n型半導體成為不對稱的結構 • 發現它的行為和兩顆二極體的組合顯著不同，此一發現正式宣告電晶體的來臨

  4. n + p n +  VCE 電子流動方向  VBE + • VBE < Vcut-in B-E界面處於截止狀態，幾乎沒有自由電子或電洞能越過B-E界面，故電流為零。 • VBE > Vcut-in B-E界面處於導通狀態，大量的自由電子由Emitter飛向Base，數量由VBE決定。

  5. n + p n +  VCE 電子流動方向  VBE + • VBE > Vcut-in • 當VCE = 0V • 由Emitter飛向Base的自由電子全部由B極流出。 • 當0 < VCE < 0.3V • 由Emitter飛向Base的自由電子受到Collector正電位吸引，一部分會越過B-C界面由Collector流出，另一部分則由Base流出。 • 當VCE 0.3V時 • 絕大部分由Emitter飛向Base的自由電子都被吸引由Collector流出，僅極少數由B極流出。

  6. 以上的特性和二極體大不相同，所以是一顆嶄新的元件。這顆三端元件稱為雙極性界面電晶體(Bipolar Junction Transistor, BJT)。 • 工作原理整理 • 利用Emitter的高濃度自由電子(n+)主導整個元件的導電行為，相形之下電洞的作用很小。 • 利用VBE控制Emitter高濃度自由電子的流量。 • 將Base做得很薄，使VCE得以控制流向Base及Collector的比例 。 • Collector參雜濃度最低，面積最大(散熱)。

  7. C B E 電晶體特性 • 截止模式(Cutoff mode) 當VBE < Vcut-in，幾乎沒有自由電子或電洞越過B-E界面，所有電流皆為零 。 • 飽和模式(Saturation mode) 當VBE > Vcut-in，B-E界面處於導通狀態。假如 0V  VCE < 0.3V，此時電晶體處於飽和模式。 • 主動模式(active mode) • 當VBE > Vcut-in，B-E界面處於導通狀態，假如VCE 0.3V，則電晶體處於主動模式。

  8. active mode saturation mode IC cutoff mode 0.3V VCE • 當VBE < Vcut-in(0.5V)，BJT處於截止模式，IC=0。 • 當VBE > Vcut-in，BJT處於導通狀態。 • 若0  VCE < 0.3V，BJT工作於飽和模式，IC隨VCE上升而增加。 • 若VCE 0.3V，BJT工作於主動模式，IC等於定值而不隨VCE改變。 • 特性曲線

  9. 主動模式(Active mode) –VBE > Vcut-in且VCE 0.3V IC和VBE的關係和二極體相同且不受VCE影響 IC和IB呈比例關係 在主動模式時，我們一般假定VBE = 0.7V，再利用以上的關係，便可以分析電路得到各電壓電流。

  10. 由KCL得到

  11. 截止模式(Cutoff mode) • VBE < Vcut-in (約0.5V) • B-E界面不導通，Emitter無法發射電子，所以： IB= IC= IE= 0 • 因此利用VBE < Vcut-in可以控制IC，強迫它為零。

  12. 飽和模式(Saturation mode) • VBE > Vcut-in且0  VCE < 0.3V • B-E界面導通，Emitter開始發射電子進入Base。 • IC受VBE和VCE控制，但三者之間並無明確數學關係式存在。 • 為了簡化分析，我們通常作以下兩個假定：

  13. 以上說明顯示BJT是一顆以電壓(VBE)控制電流(IC)的三端元件，這顆元件將非常有用：以上說明顯示BJT是一顆以電壓(VBE)控制電流(IC)的三端元件，這顆元件將非常有用： • 利用VBE < Vcut-in或VBE > Vcut-in則IC=0或IC≠0的特性，使BJT成為一顆很好的開關元件(switching device)，可以用在許多開關電路上。 • 當BJT處於主動模式時，利用VBE可以控制IC，特性與理想VCCS類似，是很好的放大元件，可用來製作放大器。

  14. C B E 圖6.3 • 下圖是NPN型BJT的電路符號，三個端點分別是Emitter(E極)、Base(B極)和Collector(C極)。 • 電流IB及IC的方向是流入B極和C極，而IE則是流出E極。 • 事實上BJT就是一顆VCCS，主要利用輸入電壓(VBE)控制輸出電流(IC)，只是它的特性不像理想的VCCS那麼單純。 • 在不同的工作模式下，VBE與 IC的關係不同。

  15. E B C PNP電晶體 • PNP電晶體和NPN電晶體的工作原理相同，只是pnp電晶體的主要載子是電洞而非自由電子。 • 右圖是PNP電晶體的電路符號，同樣有E、B、C三極，它們的角色與NPN電晶體相同：E極負責發射電洞，數量由VEB所決定，而電洞由B極和C極流出的多寡則決定於VEC。

  16. E B C • 因為電洞帶正電，正常情況下E極在高電位而B、C極在低電位，故習慣上以VEB、VEC來表示端電壓以避免負號。 • 電流方向也剛好和npn電晶體相反，以符合正常電流方向。 • pnp電晶體同樣是以電壓(VEB)控制電流(IC)的元件，也有三個工作模式。

  17. 截止模式(Cutoff mode) • VEB < Vcut-in (約0.5V) • E極無法發射電洞，所以： IB= IC= IE= 0 • 飽和模式(Saturation mode) • VEB > Vcut-in且VEC< 0.3V • VEB和IC之間無明確關係存在 。 • 為了簡化分析，我們通常作以下兩個假定：

  18. 主動模式(active mode) • VEB > Vcut-in且VEC 0.3V • E極射入B極的電洞幾乎都被吸引到C極，僅剩極少數電洞由B極端流出。 • BJT的電壓電流呈現很有規律的特性，即

  19. PNP電晶體特性幾乎是NPN電晶體的翻版，只是電壓極性和電流方向不同而已。PNP電晶體特性幾乎是NPN電晶體的翻版，只是電壓極性和電流方向不同而已。 • 因為電子的移動速度比電洞快，故NPN電晶體的反應速度比PNP電晶體快，因此實用上以NPN電晶體為主。

  20. 名詞 • 共基極電流增益(Common-base current gain) • 共射極電流增益(Common-emitter current gain) • 處於順向活性區時

  21. BJT電路 • 在分析BJT電路時，我們必須先判斷BJT處於何種工作模式之後，才能正確分析電路。 • 以npn型電晶體為例： • 先判斷BJT是否處於截止模式，判斷的依據是VBE≥ Vcut-in？若VBE < Vcut-in，則BJT處於截止模式。 • 若VBE Vcut-in，則BJT處於主動或飽和模式。判斷兩者的方法為觀察VCE。若VCE < 0.3V則處於飽和模式，否則處於主動模式。 或者觀察IB及IC。若IC < IB則處於飽和模式，否則處於主動模式(IC = IB)。以上兩者之一成立，另一個也必然成立。

  22. VCC 10K RC RB 4.3K +  VBB 圖E6.1 • 例一 • 假定VCC=10V，β=100，在以下情況下求IC、IB (1)VBB = 0.2V； (2)VBB =1V； (3)假定RB = 43K，VBB = 1V。

  23. +10V RB VC RC 圖E6.2 • 例二 • 在以下情況下求VC (1) RB = 200k；RC=1k； (2)RB=100k；RC=4k。

  24. +10V 10K RC IB VBB RE 10V 圖E6.3 • 例三 • 在以下情況下求IB。 (1) VBB = -2V ，RE=7.3k。 (2) VBB = -2V ，RE=2k。

  25. VCC = 12V RC 4K R1 100K 100K RE R2 5K 圖E6.4 • 例四 • 分析右圖的電路以得到IC， VC ， VE。

  26. VCC = 12V RE 5K R1 20K R2 RC 20K 10K 圖E6.6 • 例五 • 分析右圖的電路以得到IC ， VC ， VE。

  27. 圖E6.8 VCC = 12V R1 10K RC 4K VC2 IB1 Q1 Q2 10K R2 RE1 5.3K RE2 4K • 例六 • 右圖中有兩顆電晶體，其中Q1的C極連接至VCC而E極連接Q2的B極，求(VC2，IE1)。

  28. VCC 負載 I Vo Vx 控制電路 開關 圖6.5 BJT開關電路 • 右圖使用一個開關元件，用來控制一個負載。這個開關元件有三個端點，其中兩個端點分別接負載及地(Ground)，另一端點則接到控制電路以決定開或關。

  29. 理想的開關元件處於開的狀態時，能像絕緣體般完全阻絕電流(I = 0)；處於關的狀態時，能像金屬導體般完全導通(Vo = 0)，使電源電壓完全加到負載上。這個特性是評估一顆開關元件好壞的重要依據。 • 處於開的狀態時，電流I = 0，消耗功率為： • 處於關的狀態時，電壓Vo = 0，消耗功率為：

  30. 因此理想的開關元件不僅特性良好且不消耗任何功率。因此理想的開關元件不僅特性良好且不消耗任何功率。 • 二極體有導通及截止兩個狀態，剛好對應開與關兩個狀態，但由於只有兩個端點，所以不適合作為開關。BJT有三個端點及三個工作模式，若搭配得宜似乎適合作開關元件。

  31. 將開關以BJT取代。藉著偵測電路送來的控制電壓加上適當的電路設計，能使BJT工作在截止模式或飽和模式：將開關以BJT取代。藉著偵測電路送來的控制電壓加上適當的電路設計，能使BJT工作在截止模式或飽和模式： • 當BJT處於截止模式，IC = 0，對應開關open的狀態。 • 當BJT處於飽和模式，VCE = 0.2V，對應開關close的狀態，電源電壓幾乎都加在負載上。 • 若工作於主動模式則此VCE>0.3V ，BJT消耗的功率比飽和模式大，故不適合。

  32. VCC 負載 Vo Vx • BJT的截止模式和理想開關的open狀態相同，而飽和模式近似開關close的狀態(雖然VCE 0V但接近0V)，因此BJT可作為很好的開關元件。

  33. +6V RC LED RB Vx • 設計範例A • 其中 RC用來決定LED導通時的電流(對應LED的亮度)，RB用來限制IB (若直接加到B極，BJT可能因電流過大而燒燬)並決定BJT的工作狀態。

  34. 設計RC • 設計RB • 保留安全邊距(safety margin) • 每一顆元件都扮演特別的角色 • 元件值的選擇很重要 • 設計時常面臨取捨的問題，如何正確拿捏需要時間及經驗，但這是學習電子學的常態，未來還會不斷面臨類似問題。

  35. 設計範例B • 假設現在有兩個相同的紅外線偵測器分別置於圍牆及大門，在正常情況下其輸出電壓為0V，而當有人侵入時其輸出電壓為5V。 • 現有兩顆LED，一顆發綠光，另一顆發紅光。我們希望設計一個警示電路：在正常情況下(無人侵入)，兩顆LED皆不發光。當只有一個偵測器偵測到有人侵入時，綠色LED發光而紅色LED不發光。當兩個偵測器皆偵測到有人侵入時，則兩個LED皆發光。

  36. +6V RC LED RB RB Vx Vy Q1 Q2 +6V RC RB1 Vx Q1 RB2 Vy Q2 圖6.9 LED 圖6.8

  37. 結語 • BJT是很特別的元件，基本上是一顆以電壓(VBE)控制電流(IC)的元件，和以往學過的兩端元件大不相同。 • 雖然它不像理想VCCS有那麼簡單的特性，所以在應用上必須考慮不同的工作模式及設計細節，然而其電壓控制電流的本質，使它可以作為一顆很好的開關元件，應用在許多自動開關電路以及數位電路中。 • 另外它是很好的放大元件，可作出各種放大器。

  38. Homework Page 161 1，2，3，4，5，6，8，10，14，15 加分題 16

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