本日の内容 回数 半導体工学 名城大学 理工学部 材料機能工学科 岩谷 素顕 項目 内容 1 電子統計1 次元の制御と状態密度 真性半導体 2 電子統計2 不純物半導体 n型 p型 3 電気伝導 移動度 ホール効果 拡散係数 アインシュタイン関係式 4 ダイオード1 ポアソン方程式 バンドダイヤグラム 空乏層 空間電荷層 拡散電位 階段接合 キャリア寿命 5 ダイオード2 傾斜接合 接合容量 逆方向飽和電流 温度特性 電子雪崩 6 バイポーラトランジスタ1 エミッタ効率 ベース輸送効率 ベース接地電流増幅率 7 バイポーラトランジスタ2 エミッタ接地電流増幅率 アーリー効果 8 バイポーラトランジスタ3 周波数特性 9 サイリスタ ターンオン条件 GTO 10 金属と半導体の接触 ショットキー障壁 オーム性接触 リチャードソン定数 11 FET1 MESFET 静特性 高周波特性 12 FET2 MOSTFETのバンドダイアグラム 静特性 Nチャネル Pチャネ ル 13 FET3 エンハンスメント ディプレッション CMOS 14 IMPATT、PD、太陽電池 LED、LD 衝突イオン化、光吸収、量子効率、フィルファクター、タンデム セル 直接遷移、間接遷移、発光色とバンドギャップ、反転分 布、キャリア閉込、光閉込、ファブリ・ペロー共振器 8-1 本日の目標 TTL 実際のバイポーラトランジスタ バイポーラトランジスタの内部構造の把握 バイポーラトランジスタの増幅の原理の理解 裏から見た図 小信号用トランジスタ 端子の順序は、Tr．ごと に異なる。→使用の際 は規格表で確認する。 回路記号 トランジスタの電流、電圧 バイポーラトランジスタの特性表の見方 IC IB VCE B VBE E IC [mA] IBが5.0mAの時 が0.2mAの時 が1.0mAの時 C IC VCB IC- VCE IB=5.0mA IB=1.0mA IB=0.2mA IE VCE[V] VCEを変化した時にICはこの様に変化 IB C B キルヒホッフの法則 VCE IE=IC+IB E VBE IE hFE IC IB hFE：直流電流増幅率 書き方と矢印の向きに注意 高周波用チップトランジスタ 大電力用パワートランジスタ 容量 耐圧 電力 １Ａ～２０Ａ ２５Ｖ～２００Ｖ １Ｗ～２０Ｗ B E 容量 耐圧 電力 C ２０Ａ～１００Ａ ５０Ｖ～３００Ｖ ３０Ｗ～１００Ｗ ２SC3689 npnはエミッタn型 ベースp型 コレクタn型 本当かどうか確かめてみる。 npn Base-：＋ Emitter：－ 5mA/div 0.2V/div npn Base-：＋ Collector：ー npn Collector：＋ Emitter：ー 5mA/div 0.2V/div Baseに電流を流さないと、CE間に電流は流れない。 演習;それぞれのトランジスタの名称を 答えよ（アナログ電子回路の復習） C C B ベース：B ベース：B エミッタ：E エミッタ：E 高密度のドナー不純物 高密度のアクセプタ不純物 B E 断面から見た構造 E npn型 pnp型 コレクタ：C 実際のトランジスタで確かめる。 断面構造 断面構造 npn型 pnp型 演習： バイポーラトランジスタの種類と 直流バイアスのかけ方 トランジスタの内部構造：npnの場合 ベース：B コレクタ：C 正の固定電荷 密度 負の固定 電荷密度 エミッタ：E B ～1018cm-3 コレクタ：C C B C E E npn型 pnp型 ～1016cm-3 npn型断面構造 •エミッタとコレクタを間違えて配線すると、トラン ジスタ動作しない。 •ベースの厚さは、少数キャリア拡散長より短い。 •それぞれ丸のところに直流電圧を書き加えなさい。 ～1015cm-3 npn型トランジスタの直流電圧のかけ方 自由電子 － E：n型 － － － － － － － － － － － － － － npn型トランジスタの直流電圧のかけ方 自由電子 正負 のの 固固 定定 電電 荷荷 層層 負 の 固 定 電 荷 層 正 の 固 定 電 荷 層 C：n型 ＋ － － －－ IE E：n型 － 空乏層 空乏層 B：p型 IB － － － － － － － － － － － － － － 電子のみに注目 Cには、逆電圧を加え、 EB間の電圧ゼロのとき － ＋ 正 の 固 定 電 荷 層 C：n型 ＋ IC － 空乏層 空乏層 電子のみに注目 B：p型 Cには、逆電圧を加え、 EB間に順電圧を加えると 演習：npnトランジスタに関して以下の問に答えなさい ① バイアス（電圧）をかけていない時のバンド図を書きなさい ② 動作するように電圧をかけた時のバンド図を書きなさい エネルギー エネルギーバンドラインアップ EC Ef --- ----------------＋＋＋＋＋ ＋ ベース EV エミッタ コレクタ npn型 熱平衡状態 （バイアスを何もかけていないとき） フェルミエネルギーの確認 エネルギーバンドラインアップ コレクタに逆バイアスをかけたとき n E fn EC k BT ln NC p E fp EV k BT ln NV Emitter ： n～ND～1018cm-3 Base : p～NA～1016cm-3 Collector : n～ND～1015cm-3 - - - - ----- ---------- ------＋＋ ＋ ＋＋ ＋ npn型 ベース エミッタ Siの場合 NC～NV～1019cm-3 コレクタ EC EV エネルギーバンドラインアップ - - -- - - -- --- -- - ---- エミッタから、うすいベース を突き抜けてコレクタへ ベース - - ＋＋＋＋ ＋＋ エミッタ バイポーラトランジスタの種類と直流バイ アスのかけ方 エミッタ電流IE ベース電流IB - -- ------------------- ベース ---------エミッタ - 突き抜ける電子を、 ベース電流で制御 電子の流れ 電流の方向 コレクタ の方向 IC=hFE×IB IE=IC+IB hFE：エミッタ接地電流増幅率 コレクタ E C エミッタ－ベース間に 順バイアスをかけたとき コレクタ電流IC npn型の場合 EV バイポーラトランジスタの種類と直流バイア スのかけ方 npn型トランジスタの特性(静特性) エミッタ電流IE ベース電流IB ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ エミッタ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ベース ＋ ＋ IC=hFE×IB IE=IC+IB 正孔の流れ 電流の方向 コレクタ の方向 hFE：エミッタ接地電流増幅率 コレクタ電流IC BE間の電流電圧特性 pnp型の場合 npn型トランジスタの特性(静特性) VBE：Eに対するBの電位 npn型トランジスタの特性(静特性) IB=0.2mAのとき IC＝30mA npn型トランジスタの特性(静特性) IE=IC+IB IE、IC、IBの関係 信号増幅の性能評価 hFE トランジスタの性能を高めるためには? IC IB 電流増幅率をできるだけ高くするために何が必要か？ hFE エミッタ接地電流増幅率 下添え字 直流：大文字 交流：小文字 IC IB トランジスタの動作機構 - - -- - - -- --- -- - ---- ベース - トランジスタの動作機構 ベース この電流をIEe - この電流をIEh - - -- - - -- --- -- - ---- エミッタ注入効率 ＋＋ エミッタ コレクタ npn型 エミッタ－ベースには順バイアス コレクタは逆バイアス ＋＋＋＋ EC EV EV I E I Ee I Eh I E I Ee I Eh (電流増幅率) (エミッタ注入効率) (ベース輸送効率) IC T I B 1 T T 1 I Ee : 0～1 I Ee I Eh IC T : 0～1 I Ee hFE I C IB I Ee I Ee I Eh T エミッタ接地電流増幅率hfeを大きくする ためには? T コレクタ EC 設問 I Ee I Ee I Eh h fe IC - I B IC I E I T C I Ee IC I Ee ベース輸送効率 エミッタ I B IC I E IC IB T - ＋＋ 以上纏めると、 hFE - IEe I Ee I Ee I Eh ＋＋＋＋ - これらの式を用いて、 hFE T 1 T を導きなさい。 IC I Ee I Ee について I Ee I Eh qD qD qV j e n p 0 h pn 0 exp 1 なので L Lh k BT e 電子電流 I Eh I Ee 正孔電流 Dh pn 0 Lh LD p e h n0 De n p 0 Lh De n p 0 Le ただし、ベース幅(W)はLeより短いので Le→W I Ee について I Ee I Eh γを1に近づけるには? I Eh WDh pn 0 I Ee Lh De n p 0 2 従って T 2 ni n , pn 0 i NA ND n p0 また WDh N A I Ee 1 1 I Ee I Eh 1 I Eh Lh De N D I Ee NA 1 ND 1 IC について I Ee x＝0 jE e ( x 0) qDe x De qVEB n p x W x W W IC について I Ee qV n p 0 n p 0 exp EB k BT － np(W)=0 x=W EV ベース幅：W E B n p n 0 B C Le De e αTを1に近づけるには? np(x) qVEB x x n p n p 0 A exp B exp Le Le C x=0 x 2 x x n p A exp B exp Le Le EV E EC 2 n p 一般解 x 0 EV T どれが対応する? EC n p jC jE ( x W ) qDe B Emitter ： ND～1018cm-3 Base : NA～1016cm-3 Collector : ND～1015cm-3 ベース中の正孔密度npの方程式 ベース層内で電界はないので 拡散電流のみ EC E 1 αTを1に近づけるには? x＝W qVEB WDh N A I Ee 1 1 I I Ee I Eh 1 Eh Lh De N D I Ee C ベース端にたどり着いた電子は 全てコレクタ電極に落ちる。 x x n p x n p 0 A exp B exp のA,Bを求めると Le Le x W x sinh sinh Le Le n p ( x) n p 0 1 n 0 n p p0 W sinh W sinh L e Le αTを1に近づけるには? αTを1に近づけるには? x W x sinh sinh Le Le n p x n p 0 1 n p 0 n p 0 W sinh W sinh L e Le x＝0 jEe x 0 qDe x 0 E B x qDe x W n p x x W C αTを1に近づけるには? W cosh Le 1 qDe W L sinh Le n p x 0 W 従って 1 W cosh Le T W→0でαT →1 1.5 jC jE x W qDe x EV αTを1に近づけるには? x n p jC jE x W qDe qVEB W x sinh Le n p x n p 0 W sinh Le n p ベース層内で電界はないので 拡散電流のみ EC np(0)≫np0なので jEe x 0 qDe x＝W 1 1 W L sinh Le 1.3 1.2 cosh[x]のグラフ 1.1 -1 演習：トランジスターのHFEを大きくするためにはど のようなデバイス構造にすれば良いか？ 即ち、ベース幅Wをできる だけ小さくする。 1.4 -0.5 0.5 1 x hとは？ hybrid のh ｈパラメータによる等価回路 i1 v1 hi i h 2 f hr i1 ho v2 i2 １ ２ v1 v2 １’ ２’ ｈパラメータの意味 hi 入力インピーダンス hr 電圧帰還率 hf 電流増幅率 ho 出力アドミタンス i1 １ v1 １’ i2 ２ v2 ２’ hパラメータの求め方 hi hr v1 i1 v2 0 v1 v2 i1 0 v1 hie i1 hre v 2 i2 h fe i1 h0 e v 2 hie i hf 2 i1 v2 0 i2 v2 i1 0 ho hパラメータの考え方 エミッタ接地回路の場合 hrevo hfeｉｉ 1 hoe hパラメータの使い方 hパラメータの考え方 入力端の電圧v1、電流i1、出力端の電圧v2、電流i2とすると、 入力インピーダンス (出力短絡) 右の回路の電流増幅度Ai、電圧 増幅度Avを求めるには？ 電圧帰還率 (入力開放） 電流増幅率 (出力短絡) 出力アドミッタンス （入力開放） トランジスタ等価回路 hパラメータは、小信号の増幅の場合に用います。 等価回路を作る。 実際のトランジスタのhパラメータの値 hパラメータの使い方 2SC1815の例 hie vi io hｆｅｉｉ ｉｉ RB hie 4[k] hre 0.63×10-4 hfe 300 hoe hrevo 1/hoe R R L C vo 上の回路の等価回路 → まだ複雑なので、より簡単化する。 8[S] 小さい！ 小さい！ 動作条件：VCE=12V、IC=2mAでの値 動作条件によって、hパラメータは大きく異なります。 通常のトランジスタでは、hre、hoeは無視できる。 通常のトランジスタでは、hre、hoeは無視できる。 今日の内容 io バイポーラトランジスタの動作原理 hｆｅｉｉ ｉｉ vi RB vi vo RC RL RB hie ii RB hie vo RC RL h feii RC R L io h fe ii RC RL RC RL vo h Av RB hie fe vi RB hie 電流増幅度 Ai Ai 電圧増幅度 Av バイポーラトランジスタの動作解析 hie バイポーラトランジスタの性能を決める要因は？
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