Lecture Electrical Engineering: Lecture 14 - Dr. Nasim Zafar

COMSATS Institute of Information Technology
Virtual campus
Islamabad

Dr. Nasim Zafar
Electronics 1
EEE 231 – BS Electrical Engineering
Fall Semester – 2012


Bipolar Junction Transistors­BJTs

Lecture No: 
14
Nasim Zafar.

2


References:
Ø Microelectronic Circuits:  
        Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith. 

Ø

Electronic Devices :
  Thomas L. Floyd ( Prentice Hall ). 

Ø

Integrated Electronics 

  Jacob Millman and Christos Halkias (McGraw­Hill).

Ø

Electronic Devices and Circuit Theory:
   Robert Boylestad & Louis Nashelsky ( Prentice Hall ).
Nasim Zafar.
3


Reference:
Chapter 4 – Bipolar Junction Transistors:
Figures are redrawn (with some modifications) from 

Electronic Devices 
By
Thomas L. Floyd

Nasim Zafar.

4


Bipolar Junction Transistors

BJTs­Circuits
C

B

E
Nasim Zafar.

5


Transistor Types

v

  MOS ­ Metal Oxide Semiconductor

v

  FET ­ Field Effect Transistor 

v

BJT ­ Bipolar Junction Transistor

Nasim Zafar.

6

◄


Transistor Current Characteristics
Nasim Zafar.

7


An Overview of Bipolar Transistors:

Ø

Ø

While control in a FET is due to an electric field. 
Control in a bipolar transistor is generally considered to be due 
to an electric current.
–

current into one terminal
determines the current
between two others

–

as with an FET, a
bipolar transistor
can be used as a
‘control device’
Nasim Zafar.

8


Transistor Biasing Configurations:

1.

Common­Base Configuration (CB) : 
 input = VEB & IE    ;  output = VCB & IC

2.    Common­Emitter Configuration (CE): 
  input =  VBE & IB    ;  output = VCE & IC 

4.

Common­Collector Configuration (CC):
  input = VBC & IB     ;  output = VEC & IE
Nasim Zafar.

9


Operation Modes:

Ø

Ø

Ø

Active: 
–

Most importance mode, e.g. for amplifier operation.

–

The region where current curves are practically flat.

Saturation:
–

Barrier potential of the junctions cancel each other out 
causing a virtual short.

–

Ideal transistor behaves like a closed switch.

Cutoff:
–

Current reduced to zero

–

Ideal transistor behaves like an open switch.
Nasim Zafar.

10


Operation Modes:
IC(mA) 

Saturation Region 
IB = 200  A  

30 

Active Region 

IB = 150  A  

22.5 

IB = 100  A  

15 

IB = 50  A 

7.5 

Cutoff Region 

IB = 0 

0 
 0 

 5 

10 

15 

Ø

 Active:  BJT acts like an amplifier (most common use).

Ø

 Saturation:  BJT acts like a short circuit. 

Ø

Cutoff:  BJT acts like an open circuit.
Nasim Zafar.

20 

11

VCE  (V) 


Common Emitter Characteristics:

Ø

We consider DC behaviour and assume that we are 
working in the normal linear amplifier regime with 
the BE junction forward biased and the CB junction 

reverse biased.

Nasim Zafar.

12


Common­Emitter Output Characteristics
IC

Output Characteristic Curves ­ (Vc­ Ic     

Active 
Region
IB
Region of  Description
Operation
Small base current 
controls a large 
collector current
Saturation VCE(sat) ~ 0.2V, 

VC
E

Active

Saturation Region

VCE increases with IC

Cutoff

Achieved by reducing 
IB to 0, Ideally, IC will 
Nasim Zafar.
also equal 0.

Cutoff Region
IB = 0

13


Common­Base­Configuration (CBC) 
NPN Transistor

Circuit Diagram:  NPN Transistor
Nasim Zafar.

14


Common­Base Output Characteristics:
Although the Common­Base configuration is not the most common 
configuration, it is often helpful in understanding the operation of  BJT
IC 
  
mA

Output Characteristic Curves ­ (Vc­ Ic     

 )
Breakdown Region

Saturation Region

6

0.8V

Active Region
IE

4

IE=2mA
2

Cutoff
IE = 0

IE=1mA

2V

4V

Nasim Zafar.

6V

8V

15

VC
B


Transistor Currents ­ Output characteristics:

Nasim Zafar.

16


Common­Collector Output Characteristics:
Emitter­Current Curves
IE
Active 
Region

IB

VC
E
Saturation Region

Nasim Zafar.

Cutoff Region

 IB = 0
17


Bipolar Transistor
Characteristics
•

21.4

Behaviour can be described by the current
gain, hfe or by the transconductance,
gm of the device

Nasim Zafar.

18


Conventional View & Current Components:
NPN Transistor­CEC 

Nasim Zafar.

19


Current Components: 
NPN Transistor­CEC

Nasim Zafar.

20


BJT Characteristics and Parameters

Nasim Zafar.

21


BJT­Current Gain Parameters:

Ø

Two quantities of great 
importance in the 
characterization of 
transistors are the so­
called common­base 
Nasim Zafar.

22


BJT­Current Gain Parameters:

Ø

Common­base current gain   , is also referred to as hFB  and 
is defined by:

 = hFB = IC / IE 
Ø

Common­emitter current gain β , is also referred as hFE and

     is defined by:
 
Thus:

IC

 = IC/IB 

βIB

Nasim Zafar.

23


Beta ( ) or amplification factor:
Ø

Ø

The ratio of dc collector current (IC) to the dc base current 
(IB) is dc beta ( dc ) which is dc current gain where IC and 

IB are determined at a particular operating point, Q­point 
(quiescent point). 
It’s define by the following equation:
       30 <   dc < 300  2N3904

Ø

On data sheet,  dc=hFE with h is derived from ac hybrid 
equivalent circuit. FE are derived from forward­current 
amplification and common­emitter configuration 
respectively.
Nasim Zafar.

24


Ø

In the dc mode the level of IC  and IE due to the 
majority carriers are related by a quantity called alpha:
IC

      

= 

IE

     IC =  IE + ICBO
Ø

It can then be summarize to IC =  IE (ignore ICBO 
due to small value)
IC
IE

Ø

For a.c situations where the point of operation moves on 
the characteristics curve, an a.c alpha defined by

Nasim Zafar.

25