11. BJT(쌍극성 접합 트랜지스터)의 구조와 작동

11. BJT(쌍극성 접합 트랜지스터)의 구조와 작동

트랜지스터의 장점은 진공관에 비해 크기가 작고 가벼우며, 예열을 할 필요가 없으며(진공관은 예열을 해야 한다.) 견고하고, 전력손실이 적으며 저전압에서 동작한다는 점이다.

트랜지스터의 구조

트랜지스터는 3단자 3층 반도체 소자로 \(E\)로 표시된 단자는 이미터(emitter: 발산), \(C\)로 표시된 단자는 컬렉터(collector: 받아들임)이고, 베이스(\(B\)로 표시된 단자)보다 도핑이 많이 되어있고, 폭이 넓다. \(B\)로 표시된 단자는 베이스(base)로 도핑이 적게 되어있어 저항이 크다.

BJT(쌍극성 접합 트랜지스터: Bipolar Junction Transistor)에 있는 단어 bipolar(쌍극)은 전자와 정공 모두를 도핑함을 나타내기 위해 사용했다. 정공과 전자 모두 전류에 기여한다. 2개의 \(n\)형과 1개의 \(p\)형으로 만들어진 트랜지스터를 npn형, 1개의 \(n\)형과 2개의 \(p\)형으로 만들어진 트랜지스터를 pnp형 트랜지스터라고 한다.

*참고: 단극(unipolar)소자는 다수 캐리어에 의해서만 전류가 흐른다.(예: Schottky 다이오드, FET(정공 또는 전자가 동시에 도핑되지 않음),

접합(junction): 두 개의 접합이 존재한다.

트랜지스터의 작동 

트랜지스터는 증폭과 스위치 기능을 목적으로 사용되고, 교류신호를 증폭하고, 스위치로 사용하기 위해서는 직류 바이어스가 필요하다.

1) 이미터(E)-베이스(B) 순방향 바이어스(\(J_{E}\))

순방향 바이어스 \(V_{EE}\)는 정공과 양이온이 음이온과 결합하게 해서 중성원자를 증가하게 만들어서 공핍영역을 좁게 하고, 정공(p영역의 다수캐리어)들을 이미터(E)에서 베이스(B)로 확산하게 하고, 전자(n영역의 다수캐리어)들을 베이스(B)에서 이미터(E)로 확산하게 한다.

2) 컬렉터(C)-베이스(B) 역방향 바이어스(\(J_{C}\))

다수캐리어에 의한 전류는 \(0\)이고, 소수캐리어(n형의 정공, p형의 전자)에 의한 전류만이 흘러서 \(I_{CO}\)(역방향 바이어스에서 소수캐리어에 의한 전류)를 형성한다.

3) 순방향 바이어스 \(J_{E}\), 역방향 바이어스 \(J_{C}\)

(1): 이미터(E)에서 주입된 정공이 베이스에서 재결합으로 없어지는 양.

(2): 컬렉터에 도달하는 정공.

(3): \(V_{CC}\)에 의한 소수캐리어(열적으로 생성된 베이스(B)의 정공, 컬렉터의 전자)의 이동으로 \(I_{CO}\)를 형성한다.

(4): 정공 (1)과 재결합하기 위해 베이스 접촉부에서 공급되는 전자.

(5): \(V_{EE}\)에 의해 베이스에서 이미터로 주입되는 전자.

베이스전류 \(I_{B}\)는 (4), (5)에 의해서 형성되고, (4), (5)에 해당하는 전자의 수는 이미터(E)의 정공 수에 비해 훨씬 적다.

다수캐리어(이미터의 정공)에 의한 전류는 B가 폭이 좁고 저항이 크기 때문에 아주 적은 전류가 B로 흘러가고, 거의 모든 전류가 C로 흐른다.(\(I_{B}\)의 단위: \(\mu\text{A}\), \(I_{C},\,I_{E}\)의 단위: \(\mu\text{A}\)).

P형의 정공(이미터의 다수 캐리어)들이 베이스(B)에 들어오면, 과잉소수 캐리어로 작용하여 역방향 바이어스인 \(J_{C}\)를 쉽게 지나갈 수 있다.

작은 \(I_{B}\)의 제어로 큰 \(I_{E},\,I_{C}\)를 얻는 것을 증폭이라고 한다. 트랜지스터가 증폭기로 동작하려면 \(J_{E}\)가 순방향 바이어스, \(J_{C}\)가 역방향 바이어스이어야 하고, 키르히호프 법칙으로부터 식$$I_{E}=I_{C}+I_{B}$$을 얻고, $$I_{C}=I_{C_{\text{majority}}}+I_{CO_{\text{minority}}}$$이때 \(I_{C}\)의 단위는 \(\text{mA}\)이고 \(I_{CO}\)의 단위는 \(\mu\text{A}\) 또는 \(\text{nA}\)이며 \(I_{CO}\)는 이미터(E)가 개방상태일 때, 역방향 바이어스 \(V_{CB}\)에 의한 컬렉터 전류로 누설전류라고 한다.

npn트랜지스터는 전류방향이 pnp와 모두 반대이다. 베이스(B)가 이미터(E, 입력)와 컬렉터(C, 출력)단자에 공통으로 연결되어 있으므로 이러한 구조를 공통베이스 라고 한다.

참고자료:

Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Pearson

Microelectronics Circuit Analysis and Design 4th edition, Neamen, McGraw-Hill