양극성 접합 트랜지스터

BJT 정의

양극 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT 또는 BJT 트랜지스터라고도 함)는 신호를 증폭하거나 확대할 수 있는 두 개의 p-n 접합을 가진 세 단자 반도체 장치입니다. 이는 전류 제어 장치입니다. BJT의 세 단자는 기저(base), 집전극(collector), 발사극(emitter)입니다. BJT는 전자와 구멍을 모두 충전 운반체로 사용하는 트랜지스터 유형입니다.

기저에 작은 진폭의 신호가 적용되면 트랜지스터의 집전극에서 증폭된 형태로 이용 가능합니다. 이것이 BJT가 제공하는 증폭입니다. 참고로, 증폭 과정을 수행하려면 외부 DC 전원 공급이 필요합니다.

양극 접합 트랜지스터에는 NPN 트랜지스터와 PNP 트랜지스터 두 가지 유형이 있습니다. 아래에 이러한 두 유형의 양극 접합 트랜지스터의 다이어그램이 제공됩니다.

위의 도면에서 볼 수 있듯이 모든 BJT는 발사극, 기저, 집전극이라는 세 부분으로 구성되어 있습니다. JE와 JC는 각각 발사극 접합과 집전극 접합을 나타냅니다. 이제 초기 단계에서는 발사극-기저 접합이 전방 편향되고 집전극-기저 접합이 후방 편향된다는 것을 알면 충분합니다. 다음 주제에서는 이러한 트랜지스터의 두 유형을 설명하겠습니다.

NPN 양극 접합 트랜지스터

n-p-n 양극 트랜지스터(또는 npn 트랜지스터)는 두 개의 n형 반도체 사이에 하나의 p형 반도체가 위치한 구조입니다. 아래 다이어그램은 n-p-n 트랜지스터를 보여줍니다. 여기서 IE, IC는 각각 발사극 전류와 집전극 전류이며, VEB와 VCB는 각각 발사극-기저 전압과 집전극-기저 전압입니다. 일반적으로 발사극, 기저, 집전극 전류 IE, IB, IC가 트랜지스터로 들어가는 경우 전류의 부호는 양수로 취하고, 트랜지스터에서 나가는 경우 부호는 음수로 취합니다. 우리는 n-p-n 트랜지스터 내부의 다양한 전류와 전압을 표로 정리할 수 있습니다.

PNP 양극 접합 트랜지스터

비슷하게, p-n-p 양극 접합 트랜지스터(또는 pnp 트랜지스터)는 두 개의 p형 반도체 사이에 하나의 n형 반도체가 위치한 구조입니다. 아래 다이어그램은 p-n-p 트랜지스터를 보여줍니다.

p-n-p 트랜지스터의 경우, 전류가 발사극 단자를 통해 트랜지스터로 들어갑니다. 모든 양극 접합 트랜지스터처럼, 발사극-기저 접합은 전방 편향되고 집전극-기저 접합은 후방 편향됩니다. 우리는 p-n-p 트랜지스터의 발사극, 기저, 집전극 전류, 그리고 발사극-기저, 집전극-기저, 집전극-발사극 전압도 표로 정리할 수 있습니다.

BJT 작동 원리

아래 그림은 활성 영역에서 바이어스된 n-p-n 트랜지스터(트랜지스터 바이어싱 참조)를 보여줍니다. BE 접합은 전방 편향되고 CB 접합은 후방 편향됩니다. BE 접합의 소진층 폭은 CB 접합의 폭보다 작습니다.

BE 접합의 전방 편향은 장벽 전위를 낮추어 전자가 발사극에서 기저로 흐르게 합니다. 기저는 얇고 경량 도핑되어 있어 매우 적은 수의 구멍만 있습니다. 발사극에서 오는 전자의 약 2%가 기저의 구멍과 재결합하여 기저 단자로 흘러나갑니다.

이것이 기저 전류입니다. 이는 전자와 구멍의 재결합에 의해 발생합니다(참고로 전통적인 전류 방향은 전자의 흐름 방향과 반대입니다). 남은 많은 수의 전자는 역방향 편향된 집전극 접합을 통해 집전극 전류를 형성합니다. 따라서 KCL에 따르면,

기저 전류는 발사극 및 집전극 전류에 비해 매우 작습니다.

여기에서 대부분의 전하 운반체는 전자입니다. p-n-p 트랜지스터의 작동은 n-p-n과 동일하며, 유일한 차이점은 대부분의 전하 운반체가 전자 대신 구멍이라는 것입니다. BJT에서 대부분의 전류는 소수 전하 운반체에 의해 흐르므로, 이를 소수 전하 장치라고 합니다.

BJT 등가 회로

p-n 접합은 다이오드로 표현됩니다. 트랜지스터는 두 개의 p-n 접합을 가지므로, 이것은 두 개의 다이오드가 역방향으로 연결된 것과 동일합니다. 이를 BJT의 두 다이오드 유사성이라고 합니다.

양극 접합 트랜지스터 특성

BJT의 세 부분은 집전극, 발사극, 기저입니다. 양극 접합 트랜지스터 특성을 알기 전에, 이러한 트랜지스터의 작동 모드에 대해 알아야 합니다. 모드는 다음과 같습니다.

• 공통 기저(CB) 모드

• 공통 발사극(CE) 모드

• 공통 집전극(CC) 모드

세 가지 유형의 모드는 아래에 표시됩니다.

이제 BJT의 특성에 대해 이야기해보겠습니다. 다른 작동 모드에 따라 서로 다른 특성이 있습니다. 특성은 트랜지스터의 다양한 전류와 전압 변수 간의 관계를 그래프로 나타낸 것입니다. p-n-p 트랜지스터의 특성은 다양한 모드와 파라미터에 대해 제공됩니다.

공통 기저 특성

입력 특성

p-n-p 트랜지스터의 경우, 입력 전류는 발사극 전류(IE)이고, 입력 전압은 집전극-기저 전압(VCB)입니다.

발사극-기저 접합이 전방 편향되기 때문에, IE 대 VEB의 그래프는 p-n 다이오드의 전방 특성과 유사합니다. VCB가 증가하면 고정된 VEB에서 IE가 증가합니다.

출력 특성

출력 특성은 출력 전압과 출력 전류 IC 간의 관계를 보여줍니다. IC는 출력 전류이고, 집전극-기저 전압과 발사극 전류 IE는 입력 전류이며, 파라미터로 작용합니다. 아래 그림은 CB 모드에서 p-n-p 트랜지스터의 출력 특성을 보여줍니다.

우리가 알고 있듯이, p-n-p 트랜지스터의 경우 IE와 VEB는 양수이고, IC, IB, VCB는 음수입니다. 이 곡선에는 활성 영역, 포화 영역, 절단 영역 세 가지 영역이 있습니다. 활성 영역은 트랜지스터가 정상적으로 작동하는 영역입니다.

여기서 발사극 접합은 후방 편향됩니다. 이제 포화 영역은 두 개의 발사극-집전극 접합이 모두 전방 편향되는 영역입니다. 마지막으로, 절단 영역은 두 개의 발사극과 집전극 접합이 모두 후방 편향되는 영역입니다.

공통 발사극 특성

입력 특성

IB(기저 전류)는 입력 전류이고, VBE(기저-발사극 전압)는 CE(공통 발사극) 모드의 입력 전압입니다. 따라서 CE 모드의 입력 특성은 IB와 VBE 간의 관계로, VCE는 파라미터로 작용합니다. 특성은 아래에 표시됩니다.

전형적인 CE 입력 특성은 p-n 다이오드의 전방 특성과 유사합니다. 그러나 VCB가 증가함에 따라 기저 폭이 감소합니다.

출력 특성

CE 모드의 출력 특성은 집전극 전류(IC)와 집전극-발사극 전압(VCE) 간의 곡선이나 그래프입니다. 기저 전류 IB는 파라미터로 작용합니다. 특성은 아래 그림에 표시됩니다.

공통 기저 트랜지스터의 출력 특성과 마찬가지로, CE 모드에도 (i) 활성 영역, (ii) 절단 영역, (iii) 포화 영역 세 가지 영역이 있습니다. 활성 영역에서는 집전극이 후방 편향되고 발사극 접합이 전방 편향됩니다.

절단 영역에서는 발사극 접합이 약간 후방 편향되고, 집전극 전류가 완전히 절단되지 않습니다. 마지막으로 포화 영역에서는 집전극과 발사극 접합이 모두 전방 편향됩니다.