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The Bipolar JunctionTransistor (BJT)

張大中中央大學 通訊工程系

[email protected]

CO2005: Electronics I

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Bipolar Transistor Structures

1910DN1510DN

1710PN

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Forward-Active Mode in the NPN Transistor

e

Because of the large concentrationgradient in the base region, electronsinjected from the emitter diffuseacross the base into the BC space-charge region, where the E-fieldsweeps them into the collector region.

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Emitter Current: Exponential function of the BE voltage Collector Current: Ignoring the recombination in the base region (the base width is very tiny,

micrometer), the collect current is proportional to the emitter injection current and isindependent of the reverse-biased BC voltage. Hence, the collector current is controlled bythe BE voltage.

Base Current: BE forward-biased current Base recombination current

Currents in Emitter, Collector, and Base

1Bi2Bi

CBCBE

BC

BPED

iiiiiii

NN

1

1

,,

,

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Common-Emitter Configuration

B

C

ii

BCBE iiii )1(

EC ii)1(

Common-emitter current gain

The power supply voltage Vccmust be sufficiently large tokeep BC junction reversebiased.

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Forward-Active Mode in the PNP Transistor

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Circuit Symbols and Conventions

The arrowhead isalways placed onthe emitter terminal,and it indicates thedirection of theemitter current.

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Common-Emitter Circuits

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The collector current is nearlyindependent of the CB voltageas long as the BC junction isreverse biased.

Current-Voltage Characteristics for CB Voltage

11

E

CF i

i

Emitter is like aconstant-currentsource.

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For forward-active mode, the BC junction must be reverse biased, which means that Vcemust be greater than approximately Vbe(on). There is a finite to the curves.

Current-Voltage Characteristics for CE Voltage

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When the current-voltage characteristic curves are extrapolated to zero current, they meetat a point on the negative voltage axis at Vce=-Va, the early voltage.

The slope of the curves indicates that the output resistance looking into the collector isfinite. The resistance is not critical in the dc analysis.

Early Voltage

.

1

constvCE

C

oBE

vi

r

currentcollectorquiescentthe:

,

C

C

Ao

IIV

r

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Leakage Currents

CBOI

CEOI

: the normal leakage current in the reverse-biased BC pn junction

: the BE current which is is induced by the forward-biased BE pn junction

CBOCEOCEO III

CBOCBO

CEO II

I )1(1

Open-emitterconfiguration

Open-baseconfiguration

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Common-Base CharacteristicsFor the curves in which , breakdown begins earlier. The carriers flowing across thejunction initiates the breakdown avalanche process at somewhat lower voltages.

Breakdown Voltage

0Ei

Emitter isopen.

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Common-Emitter Characteristics

Breakdown Voltage

6~3,

,

nBV

BV

BVBV

n

CBOCEO

CBOCEO

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DC Analysis of Common-Emitter Circuit for NPN

BCB

BEBBB II

RVV

I and

)on(

CCCCCECECCCC RIVVVRIV

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DC Analysis of Common-Emitter Circuit for PNP

BCB

EBBBB II

RVV

I

and)on(

CCCCEC RIVV

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Load Line

25 CE

C

CE

C

CCC

CCCCCE

VRV

RV

I

RIVV

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Bipolar DC Analysis Technique

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Voltage Transfer Characteristics

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Cutoff and SaturationCutoff:

Saturation:

Transistor Circuit Application: Switch

CCO

CBBEI

VviionVv

0),(

)(/,

satVvRRVv

CEO

CBCCI

B

BEIB R

onVvi

)(

C

CECCCc R

satVVsatIi

)()(

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Bipolar Inverter

Multiple-input NOR gate

Transistor Circuit Application: Digital Logic

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Transistor Circuit Application: Digital Logic

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Single Base Resistor Biasing

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Using the same values of the resistances, the shift of Q-point is significant due to thevariation of the value of .

Q-Point

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Voltage Divider Biasing

21 // RRRTH

CCTH VRR

RV

21

2

EBQBETHBQTH RIonVRIV )1()(

ETH

BETHBQ RR

onVVI

)1()(

BQCQ II

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Bias Stability

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Positive and Negative Voltage Biasing

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For integrated circuits, we wouldlike to eliminate as many resistorsas possible since, in general, theyrequire a larger surface thantransistors.

Integrated Circuit Biasing

VonVRI BE )(0 11

11

))((R

VonVI BE

22

2

212111

)2

1(2

2

CC

C

BCBBC

II

I

IIIIII

112 )2

1( IIIC

Reference current

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Multistage Circuits

1.12I5V5

B2C1

21010.7V5

I C1B2

2.39mAI0.0237mA,I E2B2

0.22V2.3925V0.48V,V E2C1

1.445V2.371.55VC2

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