기초 반도체 소자 이론 : Bipolar Junction Transistor

 

 

 도체에 열이 가해지면 전자가 방출되는 열전 효과를 이용하여, 2극 진공관은 단방향으로 전류를 흘려줄 수 있었다. 1906년 Lee de Forest 는 2극진공관의 중간에 하나의 grid 라는 전극을 추가하여, Vin 의 작은 변화에도 Cathode 에서 Anode 로 흐르는 전자의 양을 크게 제한할 수 있었다. 즉, 작은 전압의 변화로 출력이 크게 변하는 소자의 최초 발명이였다.

 

 

 1947 년 벨 연구소에서 최초의 트랜지스터가 탄생하고, 이후 집적회로 위에 트랜지스터를 집적하는 IC의 개념이 발달하게 되면서 전자공학의 시대가 열린다. BJT 는 초기의 트랜지스터의 형태였고, 현재에도 발진회로, 라디오 통신, 전력 응용분야에 사용되고 있습니다. BJT 는 동작속도가 빠르며,민감도와 전압 증폭 성능이 좋고, 전류 용량이 크다는 특징이 있다

 

 

 

< BJT 동작모드 >

 

BJT 는 우리가 최초로 배우는, 증폭과 발진이 가능한 능동 소자이다

위 그림은 간략화된 npn BJT의 기초적인 Doping profile, Band diagram 을 나타낸 것이다. 다면 여기서 Base 영역은매우 얇아, E-B와 C-B의 pn 접합은 상호작용한다고 볼 수 있을 만큼 충분히 가깝다.

 

 

 먼저 정성적인 해석을 통해 소자의 동작을 이해해 보자. 밴드 다이어그램을 보면, Emitter 의 캐리어가 훨씬 많은 것을 알 수 있다. 만약 Base에 Emitter 보다 높은 전압이 가해지면 (순방향), Emitter의 전자들은 Base 로 확산되며 전류가 흐르게 된다. 도핑 농도는 Emitter 가 제일 높기 때문에 (대략, Emitter 10^19 , Base 10^17, Collector 10^15) Emitter - Base 접합이 전체적인 전류 흐름을 가장 크게 결정짓게 되며, 역방향 바이어스가 된다면 전류가 거의 흐르지 않는 Cutoff 모드가 된다.

 

 이제 E-B 접합이 순방향인 경우를 생각해보자. 만약 C-B 역시 순방향이라면 Emitter 에서 넘어오는 전자의 흐름을 방해하는 방향으로 전기장이 작용한다. 극단적으로, Collector 의 Conduction Band 가 Base 보다 높다면, PN 다이오드만을 생각했을때 전류값인 최대이지만 Emitter 에서 넘어오는 전자들의 흐름은 막히게 된다. C-B전압에 역전압이 걸리면 약한 수준에서는 역전압의 크기에 따라 Emitter 에서 넘어온 전하가 얼마나 Collector 로 넘어갈지가 조절되지만, 모든 전하를 넘길 만한 전압이 걸리면 그 뒤로 전하의 변화는 없다.

 

Breakdown 을 포함한 동작영역

요약하자면, 묘사가 정확하진 않지만 Base 는 댐의 높이, Collector는 댐 뒤편 수로의 경사라고 생각하면 이해가 쉬울 수 있다. 

댐이 수면보다 더 높아지거나 그대로이면 물이 넘치지 않기에 (수원은 무조건 Emitter임을 명심하라) 물의 흐름이 차단되지만, 댐이 수면보다 낮아진다면 점점 물이 많이 흐르기 시작한다. 여기서 넘친 물은 수로 (Collector) 가 반대로 경사져있거나 하면 완전히 다 흐르지 못하지만, 수로의 경사를 아무리 가파르게 만들어도 넘쳐흐른 양 이상으로 물을 보낼 수 없다.

 

실제로 Base 의 폭이 매우 좁기에, B-C 방향이 역방향일때 전하가 쓸려나간다고 보는 관점이 이해가 쉬울 수도 있다.

 

 

<과잉 캐리어 해석 >

 

 앞서 pn 접합에서 전류의 흐름은 과잉 캐리어로써 해석된다는 것을 배웠다. BJT 에서도 과잉 캐리어의 동작을 해석하므로써, 동작 상태를 조금 더 디테일하게 이해할 수 있다.

Base 의 과잉캐리어 전자 농도의 기울기는, Emitter - Collector 방향으로 흐르는 (혹은 반대방향) 전류의 세기와 비례한다고 볼 수 있다. (Collector 와 Base 외부에서 넘어오는 hole 의 밀도가 강할수록, 재결합이 강하게 일어나며 hole 의 밀도는 곧 전류의 세기이다) Reverse 와 Forward 는 유사해 보이지만 도핑농도의 차이로 인해 실제 전류는 10^4 수준으로 차이가 난다. 또한 이 동작모드는 기하학적인 차이에 의해서도 Forward active 와 상당한 특성 차이를 보인다.

 

Forward Bias 에서 넘어온 전자는 Collector 쪽으로 쓸려 나가며, C-B 접합면에서 전자는 거의 존재하지 않는다. Saturation 에서는 양쪽에서 전자가 넘어오기에, Base 영역은 과잉 전자로 포화 상태가 되며 Collector 의 전압에도 전류 흐름이 영향을 받는다. 스위칭과 증폭 두 가지 동작에서, 스위칭은 cutoff를 활용하는 동작이며, 대부분의 증폭은 Forward Active  를 활용한다. Cutoff 역시 (Reverse Active 포함) 가장 중요한 것은 E-B 접합이다. 즉, BJT 는 E-B 접합에서 캐리어를 넘김으로써 Collector 전류를 제어하는 방식으로 작동한다

 

 

< 이득 인자 >

BJT 에선 재결합/ 전계/ 확산에 의한 다양한 전류 성분들이 존재한다. 이 중 주요한 요소들을 BJT 의 스펙이 될 수 있는 기여 인자로써 정의하였다.

주요 BJT 인자

공통 베이스 전류이득은, 증폭 성능을 나타내는 중요한 요소이다. 나머지는 재결합 등의 요인으로 인해 상기한 BJT 의 동작이 이상적으로 동작하지 않으며, 이번 단원부터 정량화를 최소화하여 식이 나타나지 않지만 이론적인 수식과는 다를 수 있다 (그리고 이론값과 일치 여부가 BJT 의 성능지표인 것) 는 점을 알수 있다.

이상적인 증폭도는 위 인자로부터 나오며, 특히 공통 이미터 전류이득은 Base 전류로 Collector 전류를 제어하는 정도를 나타내므로 NJT 의 증폭 성능과 직접적으로 비례한다. 이상적인 증폭을 위해서 각 값은 1에 근접할수록 좋다

 

- Emitter 의 전자가 Collector 로 많이 이동할수록, Base 의 작은 전류 변화로 전류 제어가 가능해진다(DC 전류이득)

- Base 의 hole 전류가 Emitter 전류에서 비중이 낮을수록 좋다 (이미터 주입 효율인자 -똑같은 이야기)

- 베이스 전송 인자 역시, Base에서 Collector 의 전류를 얼마나 전달해주는지를 나타낸다

- 재결합 인자는 재결합으로 생성된 Emitter 전류와 Base 에서 넘어온 Emitter 전류의 비율이다

 

 즉, 모든 값은 Emitter 의 전자가 대부분 Collector 로 넘어가야 하며, 이 전자의 흐름이 총 전류여야 한다는 것을 나타낸다. 총 전류에서 Emitter의 전자가 원인이 아닌 전류, Collector 로 넘어가며 소실되는 Emitter 의 전자 등은 BJT 의 성능에 방해 요인이다

 

 

 

# 이미지는 Neaman, Semicondoctor physics and Devices #2 에서 참고하였습니다

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Notion

* 트랜지스터는 증폭과 스위칭 작용을 하는 삼단자 소자이다.

* BJT 는 Emitter-Base 간의 pn 접합에서 발생하는 다량의 전하를 조절하여 동작하는 소자이다

* 영역 별 도핑농도 E >> B >> C, Base 영역은 매우 얇음 (상호작용하는 pn junction)

* 4가지 동작 모드를 과잉 캐리어로 해석 가능. 물성 면에서, 과잉 캐리어이므로 소수캐리어의 특성을 따른다

* Emitter 에서 Collector 로 흐르는 전자 전류 흐름 외에 부수적인 전류 요소들은 특성 저하 요인이다