BJT 물성의 이해 (Bipolar Junction Transistor)

BJT 물성의 이해

BJT 물성의 이해 (Bipolar Junction Transistor)는 도핑된 3가지의 반도체를 접합하여 구성한 트랜지스터입니다.

대표적으로 NPN과 PNP로 제작하여 트랜지스터를 구성할 수 있으며, 전류증폭 등 다양한 분야에서 사용이 가능합니다.

또한 BJT는 최초의 트랜지스터로 진공관을 대체하여 동일한 연산을 수행하는데 필요한 공간을 획기적으로 줄였다는 것에 의의가 있습니다.

PN접합 반도체의 물성특성을 이해하고 있다면 BJT의 동작원리에 대한 물성특성을 쉽게 이해할 수 있습니다.

NPN BJT는 아래처럼 구성할 수 있으며, 실제로 구현하기 위해서 3D구조의 그림을 가져와서 표현해보도록 하겠습니다.

BJT는 Emitter, Base, Collector 3가지 단자로 구성이되며 그 정의는 다음과 같습니다.

Emitter : 전자 또는 정공을 주입하는 단자
Base : Emitter와 Collector사이 다른 극성으로 구성된 단자
Collector : Emitter에서 주입된 전자 또는 정공이 출력되는 단자

이제 각 단자에서 어떠한 현상이 일어나서 BJT가 동작하는지 그 물성에 대해서 이해해보도록 하겠습니다.

BJT 전류성분

BJT를 동작시키는 주요 성분은 Emitter에 주입된 전류성분입니다. 즉 전류제어 전류원으로 동작하게 되는데 BJT를 동작시키는 전류성분에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

Emitter전류
Base전류
Collector전류

Emitter전류는 인위적으로 주입하는 정공이나 전자로 컨트롤이 가능한 성분입니다. 따라서 설계 시 원하는 전류성분이 인가될 수 있도록 고려가 됩니다.

Base전류는 Emitter에서 넘어온 전자 또는 정공들이 재결합되는 성분들과, 다시 Emitter영역으로 넘어가는 성분으로 구성됩니다.

Collector전류는 Base영역에서 재결합되지 않은 전자나 정공들에 의하여 형성되는 전류성분입니다.

BJT 전류 수식

Emitter전류 (I_E)와 Base전류(I_B) Collector전류 (I_C)를 이제 수식으로 표현해보도록 하겠습니다.

I_B=e^V^_BE^/(n⋅VT)−1
I_C = β⋅I_B =αI_E
I_E = I_B+ I_C =(β+1)I_B

전류식은 다양하게 표현이 가능하며 위와 같이 표현할 수 있지만 변형하여 또 여러가지 방법으로도 표현이 가능합니다.

BJT 전류수식을 살펴보면 α나 β와 같은 파라미터들을 확인할 수 있습니다. 두 파라미터는 모두 전류 증폭 능력을 나타내는 지표로 사용이 되며 α는 Collector와 Emitter의 전류비율을 나타내며, β는 Collctor와 Base전류의 비율을 나타냅니다.

평형상태

평형상태에서 BJT의 Energy Band Diagram을 살펴보도록 하겠습니다.
평형상태에서는 열에너지 이외에 어떠한 에너지출입도 없는 상태이며, 그로인해서 Fermi Level도 각 영역에서 동일한 Level을 유지하고 있습니다.

평형상태에서는 각 경계면 (Emitter Junction, Collector Junction)에서 생성되어 있는 에너지 장벽으로 인해서 다수캐리어의 확산이 거의 일어나지 않습니다.

그로인해서 BJT는 전류의 흐름을 발생시키지 못하고 동작하지 않습니다.

활성모드

활성모드는 아래의 전압이 인가될 때, 동작하는 영역입니다.

Emitter Junction (Emitter – Base 사이) : 순방향 전압
Collector Junction (Base – Collector 사이) : 역방향 전압

먼저 Emitter Junction에서 순방향전압이 걸리는 경우에는 다수캐리어에 의한 확산전류가 발생하여 Emitter에서 Base로 전자가 확산되어 이동할 수 있습니다.

그리고 이때 Emitter에서 넘어온 수 많은 전자들은 Collector Junction에서 형성된 강한 역방향 전압에 의해서 Collector영역까지 이동할 수 있습니다.

단, 이때 Base의 길이가 매우 짧아야 확산으로 인해 이동된 전자들이 재결합되지 않고 Collector의 출력으로 이동할 수 있습니다.

포화모드

포화모드는 아래의 전압이 인가될 때, 동작하는 영역입니다.

Emitter Junction (Emitter – Base 사이) : 순방향 전압
Collector Junction (Base – Collector 사이) : 순방향 전압

먼저 Emitter Junction에서 활성모드와 마찬가지로 순방향전압이 걸리는 경우에는 다수캐리어에 의한 확산전류가 발생하여 Emitter에서 Base로 전자가 확산되어 이동할 수 있습니다.

하지만 Collector Junction에서도 순방향전압이 걸려있다면, Collector에서도 동일하게 다수캐리어에 의한 확산으로 전자가 확산됩니다.

Base영역의 좌우로 많은 전자들의 확산이 이루어져서 교차하는 형태가 나타나므로 전류는 전압조건에 의해서 큰 영향을 받지 않은 채로 전류의 양이 포화되어 나타납니다.

차단모드

차단모드는 아래의 전압이 인가될 때, 동작하는 영역입니다.

Emitter Junction (Emitter – Base 사이) : 역방향 전압
Collector Junction (Base – Collector 사이) : 역방향 전압

차단모드의 경우 모든 접합영역에서 역방향전압에 의해 생성된 강한 에너지 장벽에의해서 캐리어의 이동이 발생하지 않습니다.

그로인해서 전류의 흐름이 발생하지 않고 BJT는 동작하지 않게됩니다.