1. No category

Sähkötekniikka ja elektroniikka
Kimmo Silvonen (X)
9.11.2015
Bipolaaritransistori BJT
Versio 9.11.2015
Bipolar Junction Transistor, liekkö turhakin keksintö?
Ï
BJT 23.12.1947
Ï
Nobel 1956 (Bell Labs, nykyisin Alcatel-Lucent)
Bell Labs: ’Where vision and technology meet customers. . . ’
Aalto ELEC: ’Where science and technology meet society’
Ï
Mikroelektroniikan lähtölaukaus
Ï
IC 1959 (2 BJT, Texas Instruments), Nobel 2000
Ï
Operaatiovahvistin 1963 (9 BJT, Fairchild Semiconductor)
Ï
Erilliskomponenttina tai anturina sekä bipolaarisissa
mikropiireissä (opva, regulaattori, tietyt logiikkapiirit, ym.)
Ï
Keskinkertainen integroitavuus, pikemminkin muita etuja
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 2 (28)
The Transistor Three: Schockley, Bardeen, Brattain
Nobelisteja, Bardeenille toinen fysiikan Nobel 1972 suprajohtavuuden teoriasta
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 3 (28)
A Replica of the First Transistor, alinna Base
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 4 (28)
Bipolaaritransistori, Applications
Ï
Signaalin vahvistaminen, esim. hifi-päätevahvistin
Ï
Analogiset mikropiirit, mm. operaatiovahvistin, regulaattori
Ï
Nopea kytkin, mm. hakkuriteholähteissä ja lähettimissä
Ï
Nopeat logiikkapiirit (ECL)
Ï
Signaalin generointi (oskillaattori)
Ï
Anturi (lämpötila, valo)
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 5 (28)
Transistorityypit, npn vs. pnp
Piirrosmerkki, rakenne, toimintaperiaate. Kanta (base), kollektori, emitteri.
C
’|’
@
p
B R
@
@E
- C
’~’
n
n+
p
n
B I
@
@
E
@
r
r
- ?
iB
@
βiB
p+
@
@
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 6 (28)
Transistor Man
Selittää hyvin transistorin perustoiminnan, ks. seuraava sivu!
"Tämän pikkumiehen elämäntehtävänä on yrittää toteuttaa yhtälöä
IC = βIB , mutta ainoa asia, mitä hän voi tehdä, on kääntää
säätövastuksen nuppia. Täten hän kykenee siirtymään oikosulusta
(saturaatio) katkaistuun virtapiiriin (off-tila) tai mihin tahansa tilaan
niiden välille."
Kirjaa voi lukea elektronisena versiona, kirjoita Googleen
hakusanoiksi: The art of electronics Horowitz Hill
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 7 (28)
Transistor Man (hFE = β)
Operaatiovahvistinmiehen esikuva
©Horowitz and Hill, The Art of Electronics
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 8 (28)
Toiminta puolijohdetasolla cf. Diode
E emittoi elektronit C:lle, joka kerää ne. Vain pieni osa menee B:lle.
C
n
IC
6
+
UCB
B
p
E
n+
n
?p
- @
@ 6
?
IE
IB +
6
UBE
UBE
IC = IS e nUT
IB =
n=1
1
IC
β
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 9 (28)
Virtavahvistus β (ja α) Current Gain
Tässä oleellisin: pieni iB säätelee paljon suurempaa iC :tä ⇒ "virtavahvistus"!
i
-B
iC ?
CCCS
β
i
B
?
i
r
-B
iC
uCE ≥ 0,3 V
R
@
?
-@
@
i
uBE ≈ 0,7 V E
iE ?
uBE
iC = βiB = αiE = IS e nUT
iE = iC + iB = (β + 1)iB
β=
α=
α
≈ 100
1−α
β
β+1
≈ 0,99
(20 . . . 500)
(0,95 . . . 0,998)
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 10 (28)
Ominaiskäyrät Characteristic Curves
Epäideaalisuus johtuu ominaiskäyristä.
iC SAT LIN
6
βiB1
qqq q q q q q q q q q iB1
qqq
q
βiB2 qqqq q q q q q q q q q q iB2
q
q
qq
q
u
qq q q q q q qCUTOFF
qqqqqq
-CE
0,3 V
iB tai iC
6
qq
q
q
q
q
qqqqqqqqqqq
| {z }
0,7 V
CUTOFF
uBE
-
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 11 (28)
Reverse vs. Forward
Virtalähteen sisäisen vastuksen ro takia nousevat suorat
βR << β = βF
k=
1
ro
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 12 (28)
Ebers-Moll Equivalent Circuit
vrt. dtf.pdf
npn:
6ICD
@ αF IED
B -
r
αR ICD
@
?I
ED
C
6
UBC
?
6
UBE
- ?E
¶
µ
IS UUBE
IED =
e T −1
αF
¶
µ U
BC
IS
UT
ICD =
−1
e
αR
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 13 (28)
Toimintatilat, Operation Modes
Sulkutila (E), lineaarinen toiminta, kyllästystila (0,3 V)
?
0
0
R
@
@
?
βiB
säätö
iB
> 0,7 V
E . . . 0,3 V
R
@
@ ?
E
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 14 (28)
CUT, AKT or SAT as a function of EBB
−EBB + RB IB + UBE = 0 ja −UCE − RC IC + ECC = 0
RB
1 kΩ
β = 100
IB
IC
βIB
R
@
0,7 V @
UCE
?
?
0,5 V
0,7 V
1,2 V
1,7 V
2,0 V
0 mA ·β =
0 mA ·β =
0,5 mA ·β =
1 mA ·β =
1,3 mA →
47 Ω
5V
EBB
C
C/A
A
A/S
S
RC
0 mA
0 mA
50 mA
100 mA
100 mA
ECC
5V
5V
2,65 V
0,3 V
0,3 V
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 15 (28)
Biasointi ja kytkentäkondensaattorit
Biasointi eli "esijännittäminen"tarkoittaa tasavirtojen säätämistä niin,
että päästään halutulle kohdalle ominaiskäyriä. Tasavirta otetaan
jännitelähteestä tai vakiovirtalähteestä.
Signaali tuo mukaan ajan funktiona muuttuvan virran.
DC
?
IC
signaali
r
iC
ic
signaali
C
≈
∞
rib
iB
R
@
C≈∞
@
?I
B
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 16 (28)
Tasavirta- vs. piensignaalianalyysi
Tämä tehtiin jo diodilla tehtävässä 74
IB = virran vakio-osa eli keskiarvo, d.c.
ib = virran vaihteleva osa, a.c.-signaali
iB = IB + ib = kokonaisvirta, d.c. + a.c.

iC ≈ IS e
UBE +ube
nUT

u
UBE
nUT

 nUbeT
= IS e
e
| {z }
IC


µ
¶


ube
1 ube 2


iC = IC 1 +
+
+ . . .


nUT 2! nUT
|
{z
}
≈0
Taylorin sarja: d.c. + signaali + särö(t) distortion
Tästä syntyy hybridi-π-sijaiskytkentä.
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 17 (28)
Kanavatransistori eli FET
Ï
Field Effect Transistor
Ï
Mikropiirit ja Mooren laki
Ï
Mosfet on mikroelektroniikan tärkein pelinappula
Kuka kertoisi tästä tiedotusvälineille!?
Ï
FET-tyypit, rakenne ja toiminta
Ï
Triodialue vs. saturaatioalue
Ï
Yhtälöt ja parametrit
Ï
Jänniteohjattu (elektroninen) kytkin
Ï
Jännitteellä säädettävä vastus
Ï
Fet signaalinkäsittelyssä
Ï
Lisätietoa: Elektroniikka ja puolijohdekomponentit
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 18 (28)
Kanavatransistorit FETs
avauskanavatransistori, sulkukanavatransistori ja liitoskanavatransistori
D
G
-
enmos
avaus
-
njfet
liitos
dnmos
sulku
S
CMOS
epmos
avaus
dpmos
sulku
G
gate
hila
D
drain
nielu
S
source
lähde
pjfet
liitos
B (vain MOSFET)
body, bulk
substraatti
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 19 (28)
Avauskanavatransistori, ENMOSFET keskitymme tähän tyyppiin
N-Channel Enhancement-MOSFET (E-MOSFET)
Kerrosvoileipä: metalli − piidioksidi d − puolijohde (pii, Si)
−
+
D
G
S
− − elektroneja
?
− −6
− − − −+−
inversiokerros
n+
d
p→n
−n− −
32 nm prosessi
d = 0,9 nm
L = 30 nm
p
W
B
+
n = vahvasti seostettu n-puolijohde (paljon vapaita elektroneja)
MOS = Metal-Oxide-Semiconductor
FET = Field-Effect-Transistor
MOSFET = IGFET = Insulated-Gate-FET
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 20 (28)
Kynnysjännite ja kanavan virta Threshold Voltage
Kanava voidaan avata ja sulkea osittain tai kokonaan hilaportin kautta
iD ?
uGS
iG = 0
?
ohjausjännite
- uDS > 0
iS ? ?
kanava
käyttövoima
iG = 0 ⇒ iD = iS
Kynnysjännite Ut (t = threshold)
uGS ≥ Ut ⇒ iD ≥ 0
uGS ≤ Ut ⇒ iD ≈ 0
Subthreshold-alue ja heikko inversio: matala jännite, pieni virta
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 21 (28)
Toiminta-alueet: Cut, Ohm, Tri, SAT(FET) 6= SAT(BJT)
MOSFETin johtavuusparametri K = 21 µn COX W
Conductivity Parameter
L
ID 6
Ohm
Tri
Tri Sat (lin)
rrr
rrr
Cutoff
UGS1
Cut
- UDS
ID = 0, kun UGS ≤ Ut
Ohmic (Triode)
Triode
UGS2
uDS << uGS − Ut : ID ≈ K[2(UGS − Ut )UDS ]
2
uDS ≤ uGS − Ut : ID = K[2(UGS − Ut )UDS − UDS
]
Saturation
uDS ≥ uGS − Ut : ID = K(UGS − Ut )2
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 22 (28)
Hyvä esimerkki, kattaa DC-analyysin, STE s. 317, EPJK s. 213
Toiminta-alueet: C = Cut, S = Sat, T = Tri.
SAT : ID = K(VGG − Ut )2
K = 1 mA/V2
Ut = 2 V
RD
2k
ID ?
VGG
UGS
-
?
C/S
S
S/T
T(S)
T
2,0 V ≤ Ut
3,0 V
4,0 V
4,2 V
4,2 V
b
VDD
10
UDS
?
0 mA
1,0 mA
4,0 mA
4,84 mA
4,28 mA
10 V
8,0 V
2,0 V
0,32 V
1,449 V
> UGS − Ut
≥ 4,0 − 2
< 4,2 − 2
< 4,2 − 2 (seur. sivu)
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 23 (28)
Triodialueen käsittely (taulukon viimeinen rivi)
Jatkoa edelliseltä sivulta. Eri virtayhtälö, koska ollaan TRI-alueella:
£
¤ VDD − UDS
2
=
ID = K 2(VGG − Ut )UDS − UDS
RD



2 
RD K 2 (VGG − Ut ) UDS − UDS
 = VDD − UDS
| {z } | {z } |{z} |{z}
|{z} |{z}
2
2, 2
x
x2
10
x
2x2 − 9,8x + 10 = 0 ⇒ x = 2,45 ± 1,001
UDS = x = 1,449 V< UGS − Ut = 2,2 V
⇒ TRI, OK
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 24 (28)
Mikropiirien kehitys Integrated circuits
MOSFET → mikroprosessori
Ï
IC (flip-flop, 2 kpl BJT, hybridi) 1959
Texas Instruments, Jack Kilby (taskulaskin), Nobel 2000
Ï
MOSFET 1960 (Bell Labs.)
Etninen tausta: M. Atalla s. 1924 ja D. Kahng k. 1992
Ï
CMOS (= NMOS + PMOS) 1963-1968 (RCA)
Yleisin mikropiiriteknologia (CPU, GPU, DRAM, SSD, ym.)
Ï
Intel 1968 (’More-Noise’)
← Gordon Moore ja Robert Noyce, Fairchild (IC myös 1959)
Noycen IC oli monoliitti, menikö Nobel väärälle miehelle?
8 chipin tilaus 1969, vain 2 suunnittelijaa, piti keksiä
Mikroprosessori 4004 vuonna 1971
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 25 (28)
Mikropiirit, IC
Luokittelu, esim. ULSI = Ultra Large Scale Integration
Small, Medium, Large, Very Large, Ultra, Giant, ...
Gimme bigger words! BFL?
Loogisia portteja
Fettejä
SSI
< 10
< 102
MSI
< 102
< 103
LSI
< 103
< 104
VLSI
< 104
< 105
ULSI
< 105
< 106
GSI
> 105
> 106
i7-980X
1170 · 106
Xeon 8-core
2300 · 106
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 26 (28)
Moore’s Law. Alamainen pyytää kuninkaalta
riisinjyviä palkkioksi palveluksestaan; hölmö kuningas myöntyy!
Olet nyt tässä r
IC 1959
µP 1971
1 2 4 8 16 32 64
PC 1983
Win 95
iPhone -07
Ubuntu 2019?
r
1 jyvä shakkilaudan 1. ruutuun
2 jyvää 2. ruutuun
...
512 jyvää 10. ruutuun
...
32 000 vadillista jyviä vuonna 2010
...
Biljoona uima-altaallista jyviä 64. ruutuun (2053)
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 27 (28)
Ensi kerralla operaatiovahvistin
Elektroniikan yleistyökalu
Googlaa esim. "Opamps for everyone Texas Instruments (hyvä
PDF-kirja).
Toinen opas:
http://www.ti.com/lit/an/sboa092a/sboa092a.pdf
Tämä viikko on labrojen A-viikko!
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210
9.11.2015
Page 28 (28)