반도체 기초 Chapter 10 - 2. 바이폴라 트랜지스터(BJT) 구조와 동작 원리

Chapter 10 - 2. 바이폴라 트랜지스터(BJT) 구조와 동작 원리

 

 

• pn 접합 2개로 구현된 바이폴라 트랜지스터(BJT)

npn 바이폴라 트랜지스터

npn 바이폴라 트랜지스터(BJT) 구조 기준

 

- 베이스

두 pn 접합이 공유하는 하나의 영역

p형 중성 영역이 베이스가 된다.

 

- 에미터

순방향 전압이 가해져서 에너지 장벽이 낮아지고 베이스로 캐리어를 주입하는 영역

왼쪽의 n형 영역이 베이스로 전자를 주입한다. 따라서 에미터가 된다.

 

- 콜렉터

역방향 전압이 가해져서 공간전하 영역의 전계를 통해 전자를 수집하는 영역

오른쪽의 n형 영역이 콜렉터로 전자를 수집한다. 따라서 콜렉터가 된다.

 

과잉 캐리어의 확산 길이가 베이스의 중성 영역의 길이보다 길다. n형 에미터에서 베이스로 주입된 전자는 곧바로 콜렉터 접합에 도달할 수 있다. 콜렉터 접합에는 역방향 전압이 인가되었기 때문에 공간전하 영역 내에 전계가 존재한다. 콜렉터 접합에 도달한 전자들이 드리프트 되어 콜렉터 전류를 형성한다.

 

바이폴라 트랜지스터(BJT) 기호

npn과 pnp 바이폴라 트랜지스터 기호

 

화살표 표기는 에미터에 한다. 전류가 흐르는 방향은 화살표 방향이다.

 

- npn 바이폴라 트랜지스터(BJT)

전자는 에미터 → 베이스 → 콜렉터로 이동한다. 전류의 방향은 전자의 움직임과 반대 방향이다. 따라서 전류는 그 반대이다.

 

- pnp 바이폴라 트랜지스터(BJT)

정공은 에미터 → 베이스 → 콜렉터로 이동한다. 전류의 방향은 정공의 움직임과 같은 방향이다. 따라서 전류도 같은 방향이다.

 

npn 바이폴라 트랜지스터(BJT)의 콜렉터 전류 성분

1) 에미터로부터 주입된 전자가 드리프트에 의해 형성하는 전류

2) 콜렉터 중성 영역에서 정공에 의한 확산 전류

3) 콜렉터 접합의 공간전하 영역에서 열생성된 전자-정공 켤레 중 콜렉터로 드리프트된 전자에 의한 열생성 전자 전류

 

에미터로부터 주입된 전자가 드리프트에 의해 형성하는 전류가 다른 두 성분의 전류보다 훨씬 크다.

따라서 콜렉터 전류는 베이스와 에미터에 걸린 전압에 따라 결정된다.

그리고 에미터로부터 주입된 전자는 베이스 영역의 폭과 도핑 농도에 따라 트랜지스터 동작이 달라진다.

 

npn 바이폴라 트랜지스터(BJT)의 콜렉터 전류 증폭을 위한 조건

에미터에서 베이스로 전자가 주입되기도 하지만 반대로 베이스에서 에미터로 정공이 주입되기도 한다.

따라서 베이스에서 에미터로 주입되는 정공은 최소가 되도록 설계해야한다. 그 방법은 베이스의 농도를 에미터의 농도보다 매우 작게 도핑하는 것이다.

 

결국 바이폴라 트랜지스터(BJT)의 우수한 증폭을 위해서는 베이스 전류를 작게 하고 콜렉터 전류를 크게 만들어야 한다.

 

 

 

요약

바이폴라 트랜지스터(BJT)는 두 개의 pn 접합으로 이루어져있다. 접합끼리 겹치는 공통 영역은 베이스, 캐리어를 주입하는 영역은 에미터, 캐리어를 모으는 영역은 콜렉터이다.

콜렉터 전류는 에미터로부터 주입된 전자가 베이스를 통과한 후 콜렉터로 드리프트 된 전자에 의한 전류에 가장 큰 영향을 받는다. 따라서 콜렉터 전류는 베이스와 에미터에 걸린 전압에 따라 결정된다.

증폭 관점에서는 바이폴라 트랜지스터(BJT)의 베이스 전류는 최소로하고 콜렉터 전류를 최대로 해야 한다.

 

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참고

최초의 바이폴라 트랜지스터(BJT)는 1947년에 만들어졌다. BJT를 개발한 미국 벨 연구소의 바딘, 쇼클리, 브래튼이 노벨 물리학상 공동 수상했다. 트랜지스터의 개발은 미래 반도체 발전에 큰 영향을 끼쳤다.

 

콜렉터 전류는 베이스-에미터 전압의 증가에 따라 급격하게 증가한다.

 

베이스 전류는 콜렉터 전류를 조절하기 위한 전류로 생각한다.