1. Structure & Symbol
Bipolar Junction Transistor, BJT는 2개의 PN 접합으로 이루어진 트랜지스터입니다. 기존에 알던 소자들과는 다르게 3개의 터미널로 구성되어 있기 때문에 처음 접하는 경우 다소 낯설게 느껴질 수 있습니다.
npn BJT 기본 구조
위 그림은 npn 트랜지스터의 기본 구조입니다. 세개의 터미널로 이루어져있으며 Collector (C), Base(B), Emitter(E)로 이루어져있습니다. 2개의 PN 접합으로 이루어져있기 때문에 npn 말고 pnp의 구조도 있지만, npn에 대해서만 먼저 다뤄보도록 하겠습니다.
특징적으로 Emitter쪽에 있는 n형 반도체에는 n이 아닌 n+라고 적혀있는 것을 확인할 수 있습니다. 의미는 도핑이 상대적으로 많이 되어 있다는 것(Heavily Doped)을 뜻합니다. 이렇게 Emitter 쪽에 도핑을 많이 하는 이유는 BJT를 증폭기로서 활용하기 위해 그런건데요, 그렇기 때문에 구조가 대칭적이지 않다는 점도 염두해두시면 좋을 것 같습니다.
또 다른 특징으로는 Base 단자가 있는 p형 반도체가 매우 얇다는 점입니다. 이 점 또한 증폭기로 활용하기 위한 특징 중 하나입니다.
이런 구조를 회로에서는 다음과 같이 표기하고 Emitter를 구분해주기 위해 화살표를 추가해줍니다.
2. Operation
기존에 다뤄오던 소자들과는 달리 3개의 단자를 가진 소자이기 때문에, 전압을 걸어주는 방식이나 결선방식 등의 경우의 수가 보다 많을 수 밖에 없습니다. 하지만 다행히도 BJT를 증폭기로써 활용하기 위해서는 Base와 Emitter사이에는 Forward Bias(순방향)를, Collector와 Base 사이에는 0 Bias, 또는 Reverse Bias(역방향)를 걸어줘야 합니다. 즉, Collector와 Base사이는 Forward Bias가 되면 안됩니다.
이러한 두개의 조건에서 동작하는 영역을 Active Forward Region이라고 합니다.
(또는 Active Forward Bias, Active region, Active bias 등)
(이외에도 Saturation Region, Cutoff Region등 다른 조건하에 동작하는 영역도 있습니다. 간단하게 말씀드리면 Active Forward Region에서는 BJT를 증폭기로 활용하기 위한 조건이며, Saturation이나 Cutoff는 스위칭 등으로 활용되는 영역입니다. 이런 동작모드에 관한 내용은 추후 포스팅에 다뤄보겠습니다.)
예시 1)
간단하게는 이런식으로 Active Forward Bias를 걸어줄 수도 있습니다. 참고로 VBE는 Base와 Emitter사이의 전압이며, VCB는 Collector와 Base사이의 전압이고, 이미지에는 없지만 컬렉터와 에미터 사이의 전압은 VCB로 표현할 수 있습니다. (Base와 Emitter사이의 VBE를 0.8V로 인가해준 것은 다이오드의 Constant Voltage Model를 생각하시면 될 것 같습니다.)
예시 2)
만약 이런식으로 연결되어 있다면, Base와 Emitter사이에는 Forward Bias가 된 것을 확인할 수 있지만, Collector와 Base 사이가 Reverse bias인지는 VCE의 값이 좌우하게 됩니다. Active 영역에서 동작하기 위해서는 Collector와 Base 사이에 Reverse bias가 걸리는 VCE값을 인가해 주면 되겠습니다.
즉, 이 경우에는 VCB = VCE - VBE(0.8V)가 0과 같거나 더 커야하기 때문에, VCE가 0.8V보다 크게 된다면 Active Region에서 동작하게 됩니다.
BJT에서 가장 중요한 점은
1. 이런식으로 전압을 인가해주어야 하는 이유
2. p형 반도체는 상대적으로 얇은 이유
3. Emitter 부분의 n형 반도체는 도핑을 많이 한(Heavily doped) 이유
입니다.
위 상황을 이해하기 위해 내부를 자세하게 보겠습니다.
위와 같이 Active Bias를 걸어준 뒤, Base와 Emitter 사이의 operation을 확인해보겠습니다.
여기서 Emitter 부분의 n형 반도체가 왜 도핑이 많이 되었는지를 확인할 수 있습니다. n형이 도핑이 많이 되었기 때문에 많은 양의 전자가 p형 반도체로 이동하게 되고, 상대적으로 적은 양의 정공만이 n형 반도체로 이동하게 됩니다. (그런 이유로 화살표의 크기를 다르게 했습니다.)
이렇게 많은 양의 전자가 p형 반도체로 이동하게 되면 그 전자들은 다시 어디로 이동하게 되는지 확인해보겠습니다.
여기서 왜 p형 반도체가 얇아야만 하는지 알 수 있습니다. 결과적으로 보면 Base로 이동한 대부분의 전자는 Collector를 통해 배터리로 이동하게 됩니다. 그리고 상대적으로 적은양의 전자만이 Base 단자측의 배터리로 이동하게 되죠. Collector와 Base사이의 접합에서는 외부에서 대량의 전자가 Inject 되었다고 느끼기 때문에, 접합면에서(Depletion Region)의 전류의 흐름에 의해 전자는 Collector와 Emitter사이의 배터리로 이동하게 됩니다. p형 반도체가 매우 얇기 때문에 이런 현상이 일어납니다. 얇지가 않다면 Base와 Emitter사이의 Forward bias에 의해 pn 다이오드처럼 동작하면서 대부분의 전자가 Base 단자로 이동합니다.
그렇기 때문에 Collector와 Base는 Reverse bias임에도 불구하고 전류가 흐르는 현상이 일어나게 됩니다.
결론적으로, Emitter에서 전자가 Collector로 이동하기 때문에, 전류가 Collector에서 Emitter로 흐르게 됩니다.
다음 포스트에선 BJT의 성질과 바이어싱, 그리고 다른 동작모드에 대해서 천천히 얘기해보도록 하겠습니다.
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