Chapter 5: Bipolar Junction Transistors

Chapter 5: Bipolar Junction Transistor''s Goals is Explore the physical structure of bipolar transistor, Study terminal characteristics of BJT, Explore differences between npn and pnp transistors, Develop the Transport Model for bipolar devices.

Chapter 5 Bipolar Junction Transistors

• The BJT consists of 3 alternating layers 

of n­ and p­type semiconductor called  emitter (E), base (B) and collector (C).

• The majority of current enters collector, crosses the base region and exits through the emitter. A small current also enters the base terminal, crosses the base­

emitter junction and exits through the emitter

• Carrier transport in the active base region directly beneath the heavily 

doped (n + ) emitter dominates the i­v 

characteristics of the BJT

I F

i

C

i

A 9 10 A

S I F

F

i B i

S

I B

i C

i E i

0

1 1

95

0

F

F F

In this forward active operation region,

F B

i C

i

F E

i C i

I E

S I R

S

I C

i

95

0 1

0

R

R R

is reverse current gain

Base current is given by

Base currents in forward and reverse modes are different due to asymmetric doping 

levels in the emitter and collector regions

Model Equations for Any Bias

1 exp

S

I T

V BC

v T

V BE

v S

I

C

i

1 exp

S

I T

V BC

v T

V BE

v S

I

E

i

1 exp

S

I T

V BE

v F

Symmetry exists between base­emitter and base­collector voltages in establishing the dominant current in the bipolar transistor

• The voltages vEB and vCB are positive when they forward bias 

their respective pn junctions.

• Collector current and base current exit the transistor terminals  and emitter current enters the device. 

I F

S I F

F

i B i

Emitter current is given by:

1 exp

1 1

T

V EB

v F

S

I B

i C

i E i

I E

S I R

F

i B i

Emitter current is given by:

1 exp

1 1

T

V CB

v R

S

I C

i

Model Equations for Any Bias

1 exp

S

I T

V CB

v T

V EB

v S

I

C

i

1 exp

S

I T

V CB

v T

V EB

v S

I

E

i

1 exp

S

I T

V EB

v F

S

I

B

i

V BE

v S

I R

i F

i T

1 exp

S

I T

V BE

v F

S

I B i

Diode currents correspond directly to the 2 components of base current

Transistor

Base­emitter junction Base­collector junction

Forward Bias Forward active region

(Normal active region) (Good Amplifier)

Saturation region (Not same as FET saturation region) (Closed switch) Reverse Bias Cutoff region

(Open switch)

Reverse-active region (Inverse active region) (Poor amplifier)

Common­Emitter Transfer Characteristic

This characteristic defines the relation between collector current and base­emitter voltage of the transistor

It is almost identical to the transfer 

characteristic of a pn junction diode.

Setting v BC =0 in the collector­current expression:

I C i

• If reverse voltage across either of the two pn junctions in the transistor 

is too large, the corresponding diode will break down

• The emitter is the most heavily doped region, and the collector is the most lightly doped region

• Due to these doping differences, the base­emitter diode has a relatively low breakdown voltage (3 to 10 V). The collector­base diode is 

typically designed to break down at much larger voltages

• Transistors must therefore be selected in accordance with the possible reverse voltages in circuit

q

kT BE

q

kT BC

v

i

C I Sexp

v BE V T

I S R

I

Sexp

v BE V T

I S F

I S F

V T

I S F

I S R

I S F

i F C

i

) 1 (

The BJT is often considered a current­controlled current source, although fundamental forward active behavior suggests a voltage­controlled current source

• The base­emitter diode is often  replaced by a constant voltage drop model 

(V BE = 0.7 V), since it is forward­biased in the forward­active region

8.3 V

I B

I E

CE 9 9 8.3 9.7V

Note: V

R I E R here.

• The goal of biasing is to establish a known Q­point, which 

in turn establishes the initial operating region of transistor.

• In BJT circuits, the Q­point is represented by (VCE, IC) for 

the npn transistor or (VEC, IC) for the pnp transistor.

2 1

1

R R

R CC

V EQ

V

21

2

1

R R

R

R EQ

R

E

I E

R BE

V B

I EQ

R EQ V

4 12,000I

I B

4V­0.7V1.23 106

The two points needed to plot the load line are (0, 12 V) and (314  A, 0).  The resulting load line is plotted on the 

common­emitter output characteristics 

for I B= 2.7  A.  

The intersection of the corresponding characteristic with the load line 

determines the Q­point

2 I C I

Design Guidelines

• Choose I 2  = I C /5.  This means that (R 1 +R 2 ) = 5V CC /I C 

• Let I C R C  =I E R E  = (V CC  ­ V CE )/2.  Then R C  = (V CC  ­ V CE )/2I C ; R E  = F R C

Problem 5.87 4­R Bias Circuit Design

PNP Transistor Switch Circuit Design

Emitter Current for PNP Switch Design

•  Besides the capacitances which are associated with the physical structure, additional model components are:  diode 

current i S , capacitance C JS, related to the 

large area pn junction that isolates the 

collector from the substrate and one transistor from the next

•  R B is the resistance between external base contact and intrinsic base region

•  Collector current must pass through R C 

on its way to the active region of the collector­base junction

•  R E models any extrinsic emitter resistance in the device

Saturation Current = 3 e­17 AForward current gain = 100Reverse current gain = 0.5Forward Early voltage = 75 VBase resistance = 250 

Collector Resistance = 50 Emitter Resistance = 1 Forward transit time = 0.15 nsReverse transit time = 15 ns

Region

• With a narrow base region, minority carrier density decreases linearly across the base, and the Saturation  Current (NPN) is:

and applied voltages

B

W AB

n n qAD B

W bo

n n

qAD S

B

W DB

n p qAD B

W bo

p p

qAD S

F T

V T

I T

V BE

v B

W bo qAn T

V po

Q BE dv

dQ D

2

1 int

F T

V C

I D C

• As reverse­bias across the collector­base junction increases, the width of the collector­base depletion layer increases and the effective width of base decreases.  This is called “base­width modulation”

1

v CE V A

F I B

A

V CE

v FO

T

V BE

v FO

S

I B

• The collector terminal of a BJT in the forward­active region mimics the 

1 I B I B C

I

R BE

V BB

V REF

I

     With an infinite  FO  and V A (ideal device), the mirror ratio is unity.  Finite current gain and Early voltage introduce a mismatch between the output and reference currents of the mirror

T

V BE

V FO

S I A

V CE

V T

V BE

V S

I REF

FO A

V BE

V CE V REF

I A

V CE V T

V BE

V S

I C

I

2 1

2 1

2 1

exp 2

I REF

1

V CE2 V A

1

V BE V A

2

FO

is the "Mirror Ratio".

BB V BE R

   6.7333e­01 IC2 =

   5.3317e­04 IC21 =

   5.3317e­04

    The Mirror Ratio of a BJT current mirror can be changed by simply changing the relative sizes of the emitters in the transistors.  For the 

“ideal” case, the Mirror Ratio is determined only by the ratio of the two emitter areas

A E

A SO

I S

I where I SO is the saturation current of  a BJT 

with one unit of emitter area: A E =1(A). The actual dimensions of A are technology­

dependent

FO A

V BE

V CE V REF

I n O

I

2 1

2 1

• A current source using BJTs doesn’t have an output current that is completely independent of  the terminal voltage across it, due to the finite value of Early voltage.  The current source seems to have a resistive component in series with it

• R o is defined as the “small signal” output resistance of the current mirror

A V CE

1

V A I O

i

O i C2 I REF

V A

1

V BE V A

2

FO

I REF

V A

1

V BE V A

2

FO