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2004.11.18 OKM
バイポーラトランジスタ
ホモ接合トランジスタ(Si,プレーナ型)
ヘテロ接合トランジスタ(III-V族,メサ型)
emitter
base
collector
high-resistive substrate
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ベース接地(コモンベース)
n p nエミッタ ベース コレクタ
順 逆
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Bi-Trのバイアス極性の組合せ
BC 接合
EB 接合順 逆
飽 和(オン状態)
正常活性(増幅)
しゃ断(オフ状態)
順
逆逆接続活性(使わない)
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トランジスタの増幅
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nn 0
V = 0 (熱平衡)
qVD
バランス
I-V 特性はボルツマン分布を反映
キャリア密度のエネルギー分布
V > 0 (順バイアス)
nn 0 exp −qVD
kT
nn 0 exp −q VD − V( )
kT
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npnトランジスタでは電子の流れが重要
電子の流れ
正孔の流れ
一部の電子はp型ベース中で正孔と
再結合して消滅
ベース電流
エミッタ電
流
コレクタ電流
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Bi-Trの効率を下げる2つの要素
エミッタ(n) ベース(p) コレクタ(n)
②
①
この流れが本質
① 正孔の注入 ② ベースでの再結合・消滅
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電子電流の効率を上げる
再結合
① エミッタ注入効率 ② ベース輸送効率
エミッタ中の電子 >> ベース中の正孔 ベースの薄層化
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ヘテロ接合
+ + + + + ++
+
-
--
- - - --
+ + + + + ++
+
-- - - - --
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電流増幅率とベース抵抗
ベース接地電流増幅率
エミッタ注入効率(ホモ接合の場合)
ベース輸送効率
WBを薄く、NBを小さくする とrBが大きくなってし
HBTは、NBが大きくてもγEが低下しない。
TEαγα ≅0
1
1−
⋅⋅+=
nB
pE
pE
B
E
BE D
DLW
NNγ
2
2
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nB
BT L
W−=α
emitterbase
collector
high-resistive substrate
(課題)HBTにおけるヘテロ接合の役割(メリット)について整理せよ。
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HBT
emitter
base
collector
high-resistive substrate
Heterojunction Bipolar Transistor
IC
VCE
IB
IB=0
Cm IkTqg =
current gain
B
nB
B
nBFE tW
Lh τ=≅ 2
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transconductance
offsetTH VV ≅
threshold voltage
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理想ダイオード特性はどのようにして導かれたか
1.接合領域を3つに分ける
– n 型中性領域、空乏層、p 型中性領域
2.中性領域の抵抗は 0Ωと仮定
3.低注入水準
4.空乏層中でのキャリア再結合は無い
5.電圧印加時にもボルツマンの関係が成立
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接合電圧と電流のまとめ
00xx’
n型中性領域 p型中性領域空乏層
np(x)pn(x)
np0pn0 V = 0
np0 exp(qV/kT)
pn0 exp(qV/kT)
電圧のボルツマン因子だけ上昇
V > 0
傾きに比例した電流
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解析のための設定
x ' = 0 x = 0 x = WBx '' = 0
x x ''x
ベース
中性領域
エミッタ
中性領域
コレクタ
中性領域
VBE:順
VCE
VCE−VBE:逆
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少数キャリア分布
ベース中性領域
x = 0
n B0
n B ( x )
エミッタ中性領域
p E0
p C0
nB0 exp q V BE
k T
pE0 exp q V BE
k T
エミッタ空乏層
順バイアス 逆バイアス
x '= 0
p E ( x ' ) p C ( x '' )
コレクタ中性領域
x ''= 0
≅ 0
コレクタ空乏層
x = W B
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ベース中性領域に注目すると
ベース中性領域
コレクタ空乏層
x = 0 x = W B
n B ( x )
n B0
エミッタ空乏層
エミッタ電流 I E は この傾きに比例
コレクタ電流 I C は この傾きに比例
ベース電流 I B は 両者の傾きの差
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連続式が解ける形になる
直流特性
一般解
∂n p
∂t= Dn
∂ 2np
∂x2 −n p − n p0
τ n
0 = Dn∂ 2np
'
∂x2 −n p
'
τ n
np' = n p − n p0
np' (x) = A ⋅ exp −
xLn
+ B ⋅ exp
xLn
Ln = Dn ⋅ τ n
∂np
∂ t = np µn
∂Ex
∂ x + µnEx
∂np
∂ x + Dn
∂2np
∂ x 2 − np'
τn
過剰少数キャリア:
拡散長:
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境界条件を与えて解くと
ベース中性領域
x = 0 x = W B
n B ( x )
n B0
電子注入 nB0 eqVBE/kT − 1
sinh WB−xLnB
sinh WBLnB
+ nB0 1 − sinh x
LnB
sinh WBLnB
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ベース領域が薄くなると
ベース中性領域
n B0
n B ( x )
電子注入
W B0
ベース中性領域
エミッタ空乏層
コレクタ空乏層
n B ( x )
ベース領域が薄くなる
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キャリア分布を直線で近似する
ベース中性領域
x = 0 x = W B
n B0
n B ( x )
nB(0) = nB0 exp q V BE
k T
傾き nB0exp q VBE
k TWB
に比例した拡散電流が流れる。
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ベース電流をどう求めるか?
Ec
Ev
ベース電流として補充
U = n ' B (x)τ nB
エミッタから注入ベース中性領域
x = 0 x = W B
n B0
n B ( x )
nB(0) = nB0 exp q V BE
k T
電子注入
n ' B (x)
過剰キャリア