반도체 기초 Chapter 10 - 3. 바이폴라 트랜지스터(BJT) 동작 상태

Chapter 10 - 3. 바이폴라 트랜지스터(BJT) 동작 상태

 

바이폴라 트랜지스터(BJT)는 에미터, 베이스, 콜렉터로 이루어진 소자이다.

소자에 인가되는 전압의 방향이나 세기에 따라 전자를 주입하는 에미터와 전자를 수집하는 콜렉터가 역할이 서로 바뀌기도 하고 전기적 특성이 변화한다.

 

 

• 바이폴라 트랜지스터(BJT) 동작 상태 구분

베이스 - 에미터에 걸리는 전압(V_BE)과 콜렉터 - 베이스에 걸리는 전압(V_CB)에 인가된 전압에 따른 소자 동작은 네 가지로 구분할 수 있다.

 

npn 바이폴라 트랜지스터(BJT) 기준 동작 상태

- 순방향 능동 상태

베이스/에미터 순방향 전압 (V_BE > 0), 콜렉터/베이스 순방향 전압 (V_CB > 0)

신호를 증폭하기 위한 동작에 유리하다.

 

- 역방향 능동 상태

베이스/에미터 역방향 전압 (V_BE < 0), 콜렉터/베이스 역방향 전압 (V_CB < 0)

신호를 증폭하기 위한 동작으로 사용할 수 있다.

하지만 에미터와 콜렉터의 역할이 바뀌어서 순방향 능동 상태 동작보다 증폭률이 좋지 않다.

 

- 차단 상태

베이스/에미터 역방향 전압 (V_BE < 0), 콜렉터/베이스 순방향 전압(V_CB > 0)

에미터에서 베이스로 전자가 주입되지 않아서 콜렉터 전류에도 변화가 없다.

따라서 역방향 누설 전류만 흐른다.

 

- 포화 상태

베이스/에미터 순방향 전압 (V_BE > 0), 콜렉터/베이스 역방향 전압 (V_CB < 0)

베이스/에미터 순방향 전압과 콜렉터/베이스 순방향 전압의 차이에 따라 전류 방향이 결정된다.

콜렉터와 에미터 양단에 걸린 전압은 V_CE이다. (V_CE = V_CB + V_BE)

V_CE = 0.1 ~ 0.3일 때 BJT의 콜렉터 전류는 콜렉터에 전압을 인가하기 위해 연결한 부하저항에 따라 달라진다.

 

 

• 바이폴라 트랜지스터(BJT) 전류 구성

바이폴라 트랜지스터(BJT)는 베이스 전류를 조절해서 콜렉터 전류를 증폭할 수 있다. 콜렉터 전류(I_C)를 조절하기 위해서는 베이스/에미터 접합 양단의 전압(V_BE)과 베이스에 흐르는 전류(I_B)를 잘 조절해야 한다.

 

바이폴라 트랜지스터(BJT) 전류 구성

소자에 인가된 전압과 흐르는 전류는 DC 성분과 ac 성분으로 구성되어 있다.

DC 성분: 동작점을 결정한다. DC 전압과 DC 전류가 있다.

ac 성분: 일정한 주파수의 정현파이고 증폭에 관여한다. ac 소신호 전압과 ac 소신호 전류가 있다.

 

베이스 전류 (I_b): I_b = I_B (DC 성분) + i_b (ac 성분)

콜렉터 전류 (I_c): I_c = I_C (DC 성분) + i_c (ac 성분)

에미터 전류 (I_e): I_e = I_E (DC 성분) + i_e (ac 성분)

 

 

 

요약

바이폴라 트랜지스터(BJT)는 에미터, 베이서, 콜렉터로 구성된다. 전압의 방향과 세기에 따라 전기적 특성이 변화한다.

베이스/에미터와 콜렉터/베이스에 인가된 전압에 따라 소자 동작은 순방향 능동 상태, 역방향 능동 상태, 차단 상태, 포화 상태로 구분된다.

바이폴라 트랜지스터(BJT)의 전류-전압 특성은 베이스 전류를 조절해서 콜렉터 전류를 증폭할 수 있으며 DC와 ac성분으로 구성된다.

 

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참고

 

바이폴라 트랜지스터(BJT)의 전류-전압 특성과 전류 증폭률은 베이스 중성 영역의 과잉 캐리어 농도 분포에 따라 가장 크게 영향을 받는다.

 

바이폴라 트랜지스터(BJT)의 전류-전압 특성을 결정하는 특성 지표

- 반도체 특성 ( 밴드갭, 순수 캐리어 농도,  과잉 소수 캐리어의 평균 수명과 확산 길이 등)

- 트랜지스터의 동작 온도(환경)

- 소자의 구조 (각 접합의 중성 영역 길이, 단면적 등)

- 에미터-콜렉터 양단 사이의 전압